標籤: 暫無標籤

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料,是碳的二維結構,是一種「超級材料」,是最薄卻也是最堅硬的納米材料,其厚度只有0.335納米,硬度超過鑽石,重量幾乎為零。它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快,可用來製造透明觸控屏幕、光板,甚至太陽能電池。

1 石墨烯 -簡介

石墨烯石墨烯

石墨烯(Graphene)的命名來自英文的graphite(石墨) + -ene(烯類結尾)。它一直被認為是假設性的結構,無法單獨穩定存在。2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,而證實它可以單獨存在,兩人也因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」為由,共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯是世上最薄也是最堅硬的納米材料 ,它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;導熱係數高達5300 W/(m·K),高於碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過15 000 cm2/(V·s),又比納米碳管或硅晶體高,而電阻率只約10-6Ω·cm,比銅或銀更低,為世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低,電子跑的速度極快,因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由於石墨烯實質上是一種透明、良好的導體,也適合用來製造透明觸控屏幕、光板,甚至是太陽能電池。

2 石墨烯 -發現歷史

石墨烯立基於石墨,厚度極小,300萬片石墨烯堆疊在一起的厚度也不過1毫米300萬片石墨烯堆疊在一起的厚度也不過1毫米

20世紀初,X射線晶體學創立以來,科學家就已經開始接觸石墨烯了。

1918年,V. Kohlschütter和P. Haenni詳細地描述了石墨氧化物紙的性質(graphite oxide paper)。

1948年,G. Ruess和F. Vogt發表了最早用穿透式電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯圖像。

最初,科學家試著使用化學剝離法(chemical exfoliation method)來製造石墨烯。他們將大原子或大分子嵌入石墨,得到石墨層間化合物。在其三維結構中,每一層石墨可以被視為單層石墨烯。經過化學反應處理,除去嵌入的大原子或大分子后,會得到一堆石墨烯爛泥。由於難以分析與控制這堆爛泥的物理性質,科學家並沒有繼續這方面研究。

科學家用相同技術拍攝一個石墨烯分子的內部情況。這次展示了不規則的內部機構。石墨烯分子內部情況

2004年,曼徹斯特大學和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子理工學院的兩組物理團隊共同合作,首先分離出單獨石墨烯平面。海姆和團隊成員偶然地發現了一種簡單易行的製備石墨烯的新方法。他們將石墨片放置在塑料膠帶中, 摺疊膠帶粘住石墨薄片的兩側,撕開膠帶,薄片也隨之一分為二。不斷重複這一過程,就可以得到越來越薄的石墨薄片,而其中部分樣品僅由一層碳原子構成——他們製得了石墨烯。

2004年,康斯坦丁-諾沃肖羅夫教授和安德魯-蓋姆教授首次分離出石墨烯。他們利用膠帶剝離石墨上的薄層,而後將其放在矽片上並藉助顯微鏡進行觀察以進行確認。

2005年,曼徹斯特大學團隊與哥倫比亞大學的研究者證實石墨烯的准粒子(quasiparticle)是無質量迪拉克費米子(Dirac fermion)。類似這樣的發現引起一股研究石墨烯的熱潮。

3 石墨烯 -結構

石墨烯結構示意圖石墨烯結構示意圖

石墨烯是由碳六元環組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點陣結構,它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene),捲成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube,CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite),因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環,是最理想的二維納米材料。

理想的石墨烯結構是平面六邊形點陣,可以看做是一層被剝離的石墨分子,每個碳原子均為sp2雜化,並貢獻剩餘一個p軌道上的電子形成大π鍵,π電子可以自由移動,賦予石墨烯良好的導電性。二維石墨烯結構可以看做是形成所有sp2雜化碳質材料的基本組成單元。

一個石墨烯分子顯示出不同長度的原子鍵。石墨烯內部的原子鍵

石墨烯的結構非常穩定,碳碳鍵(carbon-carbon bond)僅為1.42Å。石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌,當施加外力於石墨烯時,碳原子面會彎曲變形,使得碳原子不必重新排列來適應外力,從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。

科學家首次拍到單個分子的清晰照片,同時可看見把分子結構緊密連在一起的原子鍵。美國國際商用機器公司(IBM)設在瑞士蘇黎世的研究實驗室用一種名為「非接觸式原子力顯微術」的技術探索一個分子的內部情況,把分子和原子的研究推向最小。這項研究可能對石墨烯設備的研究具有重要意義。

4 石墨烯 -特性

導電性

石墨烯穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時,不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由於原子間作用力十分強,在常溫下,即使周圍碳原子發生擠撞,石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

機械特性
石墨烯集成電路石墨烯集成電路

石墨烯是人類已知強度最高的物質,比鑽石還堅硬,強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學的物理學家對石墨烯的機械特性進行了全面的研究。他們選取了一些10—20微米的石墨烯微粒。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個表面被鑽有小孔的晶體薄板上,這些孔的直徑在1—1.5微米之間。之後,他們用金剛石製成的探針對這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力,以測試它們的承受能力。

在石墨烯樣品微粒開始碎裂前,它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2.9微牛。據科學家們測算,這一結果相當於要施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂。如果用石墨烯製成包裝袋,那麼它將能承受大約兩噸重的物品。

飽和吸收

當輸入的光波強度超過閾值時,這獨特的吸收性質會開始變得飽和。這種非線性光學行為稱為可飽和吸收,閾值稱為飽和流暢性。給予強烈的可見光或近紅外線激發,因為石墨烯的整體光波吸收和零能隙性質,石墨烯很容易就變得飽和。石墨烯可以用於光纖激光器的鎖模運作。用石墨烯製備成的可飽和吸收器能夠達成全頻帶鎖模。由於這特殊性質,在超快光子學里,石墨烯有很廣泛的應用空間。

自旋傳輸

科學家認為石墨烯會是理想的自旋電子學材料,因為其自旋-軌道作用很小,而且碳元素幾乎沒有核磁矩。使用非局域磁阻效應,可以測量出,在室溫狀況,自旋注入於石墨烯薄膜的可靠性很高,並且觀測到自旋相干長度超過1微米。使用電閘,可以控制自旋電流的極性。

電子的相互作用

石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強烈的相互作用。科學家藉助了美國勞倫斯伯克利國家實驗室的「先進光源(ALS)」電子同步加速器。這個加速器產生的光輻射亮度相當於醫學上X射線強度的1億倍。科學家利用這一強光源觀測發現,石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強烈,而且電子和電子之間也有很強的相互作用。

5 石墨烯 -製備方法

撕膠帶法/輕微摩擦法
石墨烯的能帶結構石墨烯的能帶結構

最普通的是微機械分離法,直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。2004年,海姆等用這種方法製備出了單層石墨烯,並可以在外界環境下穩定存在。典型製備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進行摩擦,體相石墨的表面會產生絮片狀的晶體,在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。但缺點是此法利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片,其尺寸不易控制,無法可靠地製造長度足供應用的石墨薄片樣本。

取向附生法

取向附生法是利用生長基質原子結構「種」出石墨烯,首先讓碳原子在1150℃下滲入釕,然後冷卻,冷卻到850℃后,之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面,鏡片形狀的單層的碳原子布滿了整個基質表面,最終它們可長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋80%后,第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產生強烈的相互作用,而第二層后就幾乎與釕完全分離,只剩下弱電耦合,得到的單層石墨烯薄片表現令人滿意。但採用這種方法生產的石墨烯薄片往往厚度不均勻,且石墨烯和基質之間的黏合會影響碳層的特性。碳化硅表面外延生長法

該法是通過加熱單晶碳化硅脫除硅,在單晶(0001) 面上分解出石墨烯片層。具體過程是:將經氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加熱,除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后,將樣品加熱使之溫度升高至1250~1450℃后恆溫1~20min,從而形成極薄的石墨層。在C-terminated表面比較容易得到高達100層的多層石墨烯。其厚度由加熱溫度決定,製備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。氧化減薄石墨片法

石墨烯也可以通過加熱氧化的辦法一層一層地減薄石墨片,從而得到單、雙層石墨烯。肼還原法

將氧化石墨烯紙置入純肼溶液(一種氫原子與氮原子的化合物),這溶液會使氧化石墨烯紙還原為單層石墨烯。切割碳納米管法

切割碳納米管也是製造石墨烯帶的正在試驗中的方法。其中一種方法用過錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多層壁碳納米管。另外一種方法使用等離子體刻蝕一部分嵌入於聚合物的納米管。

6 石墨烯 -應用

石墨烯的應用範圍很廣,從電子產品到防彈衣和造紙,甚至未來的太空電梯都可以以石墨烯為原料。

單分子氣體偵測
石墨烯製備的太陽能電池石墨烯製備的太陽能電池

石墨烯獨特的二維結構使它在感測器領域具有光明的應用前景。巨大的表面積使它對周圍的環境非常敏感。即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。這檢測可以分為直接檢測和間接檢測。 通過穿透式電子顯微鏡可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程。通過測量霍爾效應方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當一個氣體分子被吸附於石墨烯表面時,吸附位置會發生電阻的局域變化。

石墨烯納米帶

石墨烯納米帶的二維結構具有高電導率、高熱導率、低雜訊,這些優良品質促使石墨烯納米帶成為集成電路互連材料的另一種選擇,有可能替代銅金屬。

透明導電電極

石墨烯良好的電導性能和透光性能,使它在透明電導電極方面有非常好的應用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機光伏電池、有機發光二極體等等,都需要良好的透明電導電極材料。特別是,石墨烯的機械強度和柔韌性都比常用材料氧化銦錫優良。由於氧化銦錫脆度較高,比較容易損毀。在溶液內的石墨烯薄膜可以沉積於大面積區域 。

通過化學氣相沉積法,可以製成大面積、連續的、透明、高電導率的少層石墨烯薄膜,主要用於光伏器件的陽極,並得到高達1.71%能量轉換效率;與用氧化銦錫材料製成的元件相比,大約為其能量轉換效率的55.2%。

導熱材料/熱界面材料

2011年,美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)學者首先報道了垂直排列官能化多層石墨烯三維立體結構在熱界面材料中的應用及其超高等效熱導率和超低界面熱阻。

場發射源及其真空電子器件
科學家發現最薄單層石墨烯科學家發現最薄單層石墨烯

2002年,垂直於基底表面的石墨烯納米牆就被成功製備出來。它被看做是非常優良場致發射電子源材料。

超級電容器

由於石墨烯具有特高的表面面積對質量比例,石墨烯可以用於超級電容器的導電電極。科學家認為這種超級電容器的儲存能量密度會大於現有的電容器。

石墨烯生物器件

由於石墨烯的可修改化學功能、大接觸面積、原子尺吋厚度、分子閘極結構等等特色,應用於細菌偵測與診斷器件,石墨烯是個很優良的選擇。科學家認為石墨烯是一種具有這潛能的材料。用石墨烯製成一個尺寸大約為DNA寬度的納米洞,讓DNA分子游過這納米洞。由於DNA的四個鹼基(A、 C、 G、T)會對於石墨烯的電導率有不同的影響,只要測量DNA分子通過時產生的微小電壓差異,就可以知道到底是哪一個鹼基正在游過納米洞。這樣就可以達成目的。

抗菌物質

中國科學院上海分院的科學家發現石墨烯氧化物對於抑制大腸桿菌的生長超級有效,而且不會傷害到人體細胞。假若石墨烯氧化物對其他細菌也具有抗菌性,則可能找到一系列新的應用,像自動除去氣味的鞋子,或保存食品新鮮的包裝。

「太空電梯」纜線

它為「太空電梯」纜線的製造打開了一扇「阿里巴巴」之門。美國研究人員稱,「太空電梯」的最大障礙之一,就是如何製造出一根從地面連向太空衛星、長達23000英里並且足夠強韌的纜線,美國科學家證實,地球上強度最高的物質「石墨烯」完全適合用來製造太空電梯纜線。

代替硅生產超級計算機

據科學家稱,石墨烯除了異常牢固外,還具有一系列獨一無二的特性,石墨烯還是目前已知導電性能最出色的材料,這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品,能用來生產未來的超級計算機。

作人工光合作用高效催化劑

2012年7月18日,韓國化學技術研究所和首爾梨花女子大學,證明石墨烯作為一種高效的光催化劑可使人工光合作用系統的效率提升,其同時展示了一個能直接將二氧化碳轉換成太陽能化學物質或太陽能燃料的基準實例。科學家使用石墨烯作為光觸媒,然後再加以卟啉酶,該物質可以把陽光和二氧化碳轉換成甲酸,用於塑料行業的化學品和燃料電池的燃料。測試結果表明,基於石墨烯的光催化劑在可見光範疇下功能強大,其整體效益顯著高於其他催化劑。

用於鋰離子電池技術

2012年9月,美國倫斯勒理工學院的研究人員將世界上最薄的材料石墨烯製成一張紙,然後用激光或照相機閃光燈的閃光震擊,將其弄成千瘡百孔狀,致使該片材內部結構間隔擴大,以允許更多的電解質「潤濕」及鋰離子電池中的鋰離子獲得高速率通道的性能。這種石墨烯陽極材料比如今鋰離子電池中慣用的石墨陽極充電或放電速度快10倍,未來可驅動電動車。

2012年10月,中國金屬所研製出以石墨烯為集流體的可快速充放電柔性鋰離子電池。

製作納米變壓器
石墨烯「多層糕」石墨烯「多層糕」

北京時間2012年10月15日物理學家組織網報道,英國曼徹斯特大學研究人員研究顯示,把單原子層精確地堆疊起來,有望造出大量新型材料和設備,石墨烯及有關單原子厚度晶體為此提供了廣闊的選擇。他們將石墨烯和氮化硼的單原子層晶體一層壓一層地堆疊起來,構建出一種「多層糕」,可作為納米級的變壓器。

在手機中的應用

2013年2月5日,諾基亞正式宣布成為石墨烯旗艦聯盟(Graphene Flagship Consortium)的一員,並從歐盟的未來與新興技術組織(FET)獲得了13.5億美元研究經費,該經費將用於石墨烯材料(Graphene)的研究。諾基亞對石墨烯材料的應用設想為:

1、提升現有手機的性能、降低成本,例如取代在液晶顯示器觸控面板中廣泛使用的透明ITO(氧化銦錫)導電層,以及用於其他高頻電子元器件中;
2、在未來的概念手機設計中(如諾基亞一直在開發的柔性手機),將石墨烯應用於線路板、柔性材料以及一體化多點感應平台。石墨烯使觸摸屏包含一層50納米厚的DLC防掛材料、一層700納米厚的聚對二甲苯塗層、一層200納米厚的石墨烯導電層、一層200微米厚的PET材料,整個觸摸屏厚度僅為0.2毫米。此外,諾基亞還計劃利用石墨烯研發觸覺反饋設備,當手機屏幕上顯示出一幅絲綢的圖片,觸摸屏幕時會有摸到絲綢的順滑感覺。

其它應用

由於石墨烯實質上是一種透明、良好的導體,因此還可以應用於晶體管、觸摸屏、基因測序等領域,同時有望幫助物理學家在量子物理學研究領域取得新突破。中國科研人員發現細菌的細胞在石墨烯上無法生長,而人類細胞卻不會受損。利用這一點石墨烯可以用來做繃帶、食品包裝甚至抗菌T恤;用石墨烯做的光電化學電池可以取代基於金屬的有機發光二極體,因石墨烯還可以取代燈具的傳統金屬石墨電極,使之更易於回收。

上一篇[鏡影細胞]    下一篇 [布魯瑪麗]

相關評論

同義詞:暫無同義詞