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1、ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY材料物理期末论文石墨烯的性能及应用学院名称：数理学院专业班级：应用物理学11T班学生姓名：学 号：2014年6月石墨烯的性能及应用摘要：石墨烯其貌不扬，其微片看上去就好像是棉花一样的黑色絮状物，可它为 什么如此受追捧？答案其实并不复杂。因为它太轻薄了，只有一个原子厚度，却 又非常坚硬。除此之外，它还拥有优秀的导热性、极低的电阻率。在轻薄坚固的 同时，它还几乎是完全透明的。这些特性让研究者们能够创造出无限的可能性， 无怪乎石墨烯横空出世之时业界震惊。关键词：石墨烯、新材料、物质、科技Abstract: Graphene does not
2、 seem good, its microchip looks like black cotton floc, but why it can be so popular these days? The answer is not complicated. Because it is so thin and only has one atom thick, it is very hard, however. In addition, it has excellent thermal conductivity and low resistivity. It is in strong light w
3、hile almost completely transparent. These features allow the researchers are able to create infinite possibilities, no wonder when the industry turned out of graphene shocked.Key words: Graphene, new materials, substances, TechnologyT、八、亠1、前言：石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有
4、一个碳原子厚度的二维材 料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英 国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆(Andre Geim)和康斯坦丁诺沃肖洛夫 (Kon s tant i n Novo s e lov) ，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可 以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺 贝尔物理学奖。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/mK,高于碳纳米管和金刚石，常温下其电 子迁移率超过15000 cm2/Vs,又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约1
5、0-6 Q cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的 速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体 管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、 光板、甚至是太阳能电池。2、研究历史：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
6、，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。因此，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。 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 体和导体用热的形式释放了一些能量，2013 年一般的电脑芯片以这种方式浪费 了72%-81%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它
7、具有了非 比寻常的优良特性。3、主要特点：石墨烯作为一种新材质，受到了极大的关注。实际上，石墨烯是碳的一个种 类，具有超高强度、轻薄和可延展的特性，将能够改变数码产品的外观、手感甚 至使用形态。下面，我们就来详细了解一下石墨烯材质到底有什么过人之处。3.1 比钢铁还硬虽然LGG Flex可以自我修复轻微的划伤，但仍未改变手机易损坏的缺点。 不过，如果手机等数码产品在未来能够使用石墨烯作为外壳的话，则会变得坚若 磐石。据美国化学学会的报告称，石墨烯的硬度是钢材的200倍，显然具有非常 强的耐用度。3.2 如橡胶般具有延展性哥伦比亚大学的研究人员表示，石墨烯具有一定的延展性，能够伸展20%。 也就
8、是说，石墨烯实际上是一种柔性材质，与橡胶类似。三星公司一直在研究石 墨烯晶体管，从而生产出柔性屏幕。另外，石墨烯也有一定的耐水性，有望应用 在新一代的防水设备上。3.3 轻薄特性石墨烯出色的延展性，还能够让其十分轻薄，足够拉伸到薄到透明的程度。 这就意味着，如果手机厂商可以使用这种材质，不仅能够让手机更耐用、防水， 还可以变得更轻薄。3.4 令人难以置信的电池寿命我们曾经在电池技术发展类的文章中提到过石墨烯，它极有可能在未来取代 锂电池，成为新一代的电池标准。美国西北大学的研究人员已经成功研发出石墨 烯和硅材质的电池，充电15分钟可以实现约一周的续航能力，令人惊叹。显然， 如果未来手机可以使用
9、石墨烯电池，那么一周一充电将不再是梦想。3.5 与人类的身体互联英国曼彻斯特大学的博士 Aravind Vijayaraghavan发现，石墨烯具有与生 物互联的特点，这对健康检测类可穿戴设备具有非常积极的影响。使用石墨烯作 为传感器，将可以监测和扫描人类的神经系统，可以想象，未来会出现“精神健 康”类的监测设备及应用。中国已经在碳纳米管和石墨烯的研究和制造中处于全球领先地位。目前全球 市场供过于求，石墨烯价格出现下降，利润也被迫下降，而这可能造成这个新兴 产业的波动。目前，中国已然成为全球石墨烯的出版物和专利的领先者，其碳纳米管制造 可能占到了全球的 50%。，虽然石墨烯的工艺和制造技术仍显
10、落后，但是中国正 在迅速地追赶。目前中国的碳纳米管出版物在全球处于领先地位，专利数量居全 球第二名。中国在碳纳米管材料制造方面将很快赶超，主要体现在快速的增长率。4、技术发展：石墨烯是一种呈蜂巢状排列的单层碳原子结构，是目前已知的最薄、强度最 高的物质，具有优良的物理化学性能。科学家希望用石墨烯制成高速晶体管、传 感器乃至透明电极。此前，人们就已知道掺杂金属原子的石墨烯插层材料具有二 维超导性能。但科学家们一直无法确定超导性是来源于金属、石墨烯还是两者兼 而有之。新研究首次通过令人信服的证据，证明了是石墨烯在其中起到了关键作 用。为相关材料在纳米级电子器件领域的应用铺平了道路。5、应用领域：石
11、墨烯的应用范围广阔。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。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，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。5.1超级计算机科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特 性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备
12、，例 如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使 用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升 便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔 了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作 是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。5.2太阳能电池2010年，清华大学的Xinming Li和Hongwei Zhu等人首次将石墨烯覆盖在 传统的单晶硅材料上，研究发现其具有优异的光电转换性能。这样一个简易的太 阳能电池模型，经过优化提升后光电转换效率可以达到 10%以上。石墨烯-硅模 型还可以进一
13、步拓展为石墨烯与其他半导体材料的结构。这种可以将石墨烯与传 统材料结合的模型，为石墨烯的实际应用具有重要的推动作用。5.3 光子传感器石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于 检测光纤中携带的信息的，这个角色一直由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。 2012年10月，IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器， 接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯 是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。5.4 基因测序由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱 基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有
14、望实现直接的，快速的，低成本的基因电 子测序技术。5.5 减少噪音美国IBM宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯(Graphene)”， 试制成功了新型晶体管，同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f。石墨烯，试 制成功了相同的晶体管，不过与预计的相反，发现能够大幅控制噪音。通过在二 层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音。5.6 隧穿势垒量子隧穿效应是一种衰减波耦合效应，其量子行为遵守薛定谔波动方程，应 用于电子冷发射、量子计算、半导体物理学、超导体物理学等领域。传统势垒材 料采用氧化铝、氧化镁等材料，由于其厚度不均、容易出现孔隙和电荷陷阱，通 常具有较高的能耗和发热量，影响到了
15、器件的性能和稳定性，甚至引起灾难性失 败。基于石墨烯在导电、导热和结构方面的优势，美国海军研究试验室(NRL) 将其作为量子隧穿势垒材料的首选。未来得石墨烯势垒将有可能在隧穿晶体管、 非挥发性磁性记忆体和可编程逻辑电路中率先得以应用。5.7 其它应用石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏等领域，同时有望帮助物理学家在量子 物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长, 而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T 恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨 烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅
16、可以用 来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科 学家梦寐以求的2.3 万英里长太空电梯成为现实。6、结论：石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应 用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等，都需要良好 的透明电导电极材料。特别是，石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟 锡优良;氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于 大面积区域。通过化学气相沉积法，可以制成大面积、连续的、透明、高电导率 的少层石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的阳极，并得到高达 1.71%能量转换效率; 与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转换效率的55.2%。作为新兴 产业，我国前瞻产业研究院石墨烯行业研究小组指出
