《人类目前最强功能材料-石墨烯资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《人类目前最强功能材料-石墨烯资料（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、人类目前最强功能材料-石墨烯 比钻石还硬的材料-石墨烯 一、石墨烯概念 二、发展简史 三、石墨烯特性 四、制备方法 五、应用前景 六、石墨烯材料的诞生获得2010年诺贝尔物理学奖 七、国内生产状况 八、石墨烯实例 目 录 一、石墨烯概念： 石墨烯具有诸多超乎人类想象的优越特性。 第一：石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测 算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的 薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品 的压力，而不至于断裂； 第二：石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中 的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体 中的运动速度。 石墨烯市
2、场售价大约5000元/克，比黄金贵15倍，广泛 用于军事、电子工业领域。石墨烯在新能源领域如超级电容 器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适 用于作为电极材料助剂。 石墨烯的来源。常见的天然石墨是由一层层蜂窝状有序排 列的平面碳原子堆叠形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易 互相剥离，形成较薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，形 成的一个碳原子厚度的单层就是石墨烯，是碳的二维结构，厚 度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头 发丝那么厚。英国曼彻斯特大学的两位科学家科斯提亚 诺沃 谢夫和安德烈 盖姆因为首先发现石墨烯获得2010年度的诺贝 尔物理学奖。 石墨烯的
3、应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特 性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超 轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，使它在微电子领域也 具有巨大的应用潜力。 石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管 ，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以 使未来的计算机获得更高的速度。 一、石墨烯材料的简介 1、定义 石墨烯（Graphene）是碳原子紧密堆积成单层二维 蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳 米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料 （如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单 元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。
4、石墨烯的理论比表面积高达2 600m2Pg ,具有突出 的导热性能( 3 000Wm- 1K- 1 ) 和力学性能(1 060GPa) , 以及室温下较高的电子迁移率(15 000cm2V- 1s - 1 ) 。此外,它的特殊结构,使其具 有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列 性质 ,因而备受关注。 2、发现 Graphene(石墨烯) 是2004年由曼彻斯特大学科斯提 亚诺沃谢夫（Kostya Novoselov）和安德烈盖姆（ Andre Geim）发现的，他们使用的是一种被称为机械 微应力技术（micromechanical cleavage）的简单方法。 正是这种简单的方法
5、制备出来的简单物质石墨烯 推翻了科学界的一个长久以来的错误认识任何二 维晶体不能在有限的温度下稳定存在。现在石墨烯这 种二维晶体不仅可以在室温存在，而且十分稳定的存 在于通常的环境下。 一直以来理论和实验界都认为严格的二维晶 体无法在非绝对零度稳定存在，这一假设直 到2004 年英国Manchester 大学的Geim等人 发现单层石墨烯(graphene)后才得以改变。 他们采用一种简单的“微机械力分裂法” (microfolitation) 制备了一种单原子厚度的碳 膜, 这种两维碳材料表现了很高的结晶度而且 异乎寻常地稳定。 这一发现立刻震撼了科学 界， 随后这种新型碳材料成为材料学和物
6、理 学领域的一个研究热点。 康斯坦丁诺沃肖洛夫 安德烈海姆 3、结构 完美的石墨烯是二维的, 它只包括六角元胞(等角 六边形) 如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石 墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘 曲; 12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被认 为是卷成圆桶的石墨烯; 可见，石墨烯是构建其它维数碳质材料 （如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨 ）的基本单元 三、石墨烯材料的性质 1、力学性质比钻石还要硬 数据转换分析：在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每 100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微 牛。 据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的 压力
7、才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制 取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳 米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将 其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它 将能承受大约两吨重的物品。 打个比方说单层石墨烯的强度，就像把大象的重量 加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一 样厚度的单层石墨烯。 实验证明 从铅笔石墨中提取的石墨烯，竟然比钻石还坚硬，强 度比世界上最好的钢铁还要高上百倍，这项科学发现 刊登于近期的科学杂志，作者是两位哥伦比亚大 学的研究生，来自中国的韦小丁和韩裔李琩钴。 Changgu Lee, et al. Graphene Me
8、asurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Science 321, 385 (2008); Dreams：对于强度比世界上最好的钢铁还要高 上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不仅可以造出 纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚 至还可以制作23000英里长伸入太空的电梯，实 现人类坐电梯进入太空的梦想。 美国国家航空航天局（NASA）悬赏400万美金 鼓励科学家们进行这种电梯的开发 实现人类梦想 2、出色的电学性质电子运输 碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未 成键的电子，这些电
9、子与平面成垂直的方向可形成轨道 ，电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性 。此外，石墨烯是具有零带隙的能带结构。 3，导电性 石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外 部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不 必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种 稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。 石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光 速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度 。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷 子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微 子非常相似。 石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2
10、.3%的可 见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。 4，电子的相互作用 石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格 间均存在着强烈的相互作用。 石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相 互作用强烈，而且电子和电子之间也有很 强的相互作用。 5、其它特殊性质 石墨烯具有明显的二维电子特性。 在石墨烯中不具有量子干涉磁阻 石墨烯电子性质用量子力学的迪拉克方程来描 述比薛定谔方程更 好可控渗透性 离子导电体各向异性 超电容性 其它应用 pH传感器 气体分子传感器 储氧材料 药物控制释放 离子筛 作为电极材料 电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.14纳米 韩国成均馆大学和三星公司的研究人员已经制造出
11、由 多层石墨烯和聚酯片基底组成的透明可弯曲显示屏。 石墨烯的材质优点总结：其导电性能比铜还好几倍； 坚硬比钢铁大10倍而且极轻，由此可见可用于飞机制造来 减少重量与避弹衣制造。 石墨烯的应用前景：太空电梯缆线、替代硅生产超级 计算机、光子传感器、液晶显示材料、新一代太阳能电池 等领域。 瑞典和美国的科学家使用神奇的石墨烯材料的发光面 板，总有一天也许会让基本的灯泡变成多余的。 薄得像纸一样的iPhone概念手机 二、发展简史： 石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯 特大学的两位科学家安德烈杰姆和克斯特亚诺沃消洛夫发 现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。 他们从石
12、墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特 殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这 样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳 原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新 方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入 工业化生产的领域已为时不远了。 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现， 石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和 极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮 革命。 在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导 体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和 原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的
13、形式释放了一些能 量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%的电能 ，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了 非同寻常的优良特性。 普通电容器和超级电容器结构（超级电容器不同于电池，在充放电时不会发生化 学反应，电能的存储或释放都是通过静电场建立的物理过程完成的） 三、石墨烯特性 ： 电子运输 在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学 家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。 所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界 都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层 石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级 别上的
14、微观扭曲。 石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导 =2e/h,6e/h,10e/h 为量子电导的奇数倍 ，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在 石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。 三、石墨烯特性 ： 导电性 石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石 墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连 接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形 ，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结 构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性 。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引 入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强
15、，在常 温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干 扰也非常小。 富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的， 而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的 三、石墨烯特性 ： 石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速 的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使 得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。 石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见 光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现 三、石墨烯特性 ： 机械特性 石墨烯是人类已
16、知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强 度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物 理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程 中，他们选取了一些之间在1020微米的石墨烯微粒作为研 究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被 钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在11.5微米之间。 之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨 烯施加压力，以测试它们的承受能力。 用AFM探针在石墨烯上“书写”纳米线 研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们 每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微 牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压 力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出 厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石 墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。 换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大 约两吨重的物品。
