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1、20102010诺贝尔物理学奖介绍诺贝尔物理学奖介绍 2010NobelPrizeinPhysics 组员：李艺群李艺群 张渊张渊1思考思考：2n n英国曼彻斯特大学科学家安德烈英国曼彻斯特大学科学家安德烈英国曼彻斯特大学科学家安德烈英国曼彻斯特大学科学家安德烈 海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁 诺沃诺沃诺沃诺沃谢洛夫，于谢洛夫，于谢洛夫，于谢洛夫，于20042004年首次制成石墨烯材料。这是目前世年首次制成石墨烯材料。这是目前世年首次制成石墨烯材料。这是目前世年首次制成石墨烯材料。这是目前世界上最薄的材料，仅有一个原子厚。因此，界上最薄的材料，仅有一个原子厚。因此，界
2、上最薄的材料，仅有一个原子厚。因此，界上最薄的材料，仅有一个原子厚。因此，20102010年诺年诺年诺年诺贝尔物理学奖授予给了他们两人，以表彰他们在石墨烯贝尔物理学奖授予给了他们两人，以表彰他们在石墨烯贝尔物理学奖授予给了他们两人，以表彰他们在石墨烯贝尔物理学奖授予给了他们两人，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究材料方面的卓越研究材料方面的卓越研究材料方面的卓越研究。石墨烯发明者获得石墨烯发明者获得20102010诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖3 石墨烯的名字石墨烯的名字n n由于这种材料是从石墨中制取的，而且包含烯类由于这种材料是从石墨中制取的，而且包含烯类物质的基本特征物质的基本特征碳原子
3、之间的双键，所以称为碳原子之间的双键，所以称为石墨烯。石墨烯。4本文主要内容本文主要内容一一 获奖科学家简介获奖科学家简介二二 石墨烯材料的结构石墨烯材料的结构三三 石墨烯材料的性质石墨烯材料的性质四四 石墨烯材料的应用石墨烯材料的应用五五 石墨烯材料的展望石墨烯材料的展望5安德烈安德烈海姆（左）和康斯坦丁海姆（左）和康斯坦丁诺沃谢洛夫（右）诺沃谢洛夫（右） 一一 获奖科学家简介获奖科学家简介67 安德烈安德烈海姆海姆 “70后后”诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者诺沃谢洛诺沃谢洛夫夫 由于成果要经得起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在获由于成果要经得起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几
4、或几十年后才颁发。而石墨烯材料的制备成功距获得得成果十几或几十年后才颁发。而石墨烯材料的制备成功距获得2010年诺贝尔物理学奖只有六年。年诺贝尔物理学奖只有六年。8 海姆和诺沃谢洛夫使用的是一种被称为机械微海姆和诺沃谢洛夫使用的是一种被称为机械微应力技术的简单方法应力技术的简单方法 ，第一次制备出了单层石墨，第一次制备出了单层石墨烯。推翻了科学界的一个长久以来的错误认识烯。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。任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在。 单层石墨烯微点扫描电镜图单层石墨烯微点扫描电镜图9实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以实际上石墨烯本来
5、就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚墨，厚1毫米的石墨大约包含毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。万层石墨烯。10 人们戏称海姆和诺沃谢洛夫是用“铅笔”和“胶带” 来获得诺贝尔物理学奖的。利用机械微应力制备单层石墨烯的视频.flv11 二二 石墨烯的结构石墨烯的结构 纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。也可以是柔软的石墨。20102010年诺贝尔物理学奖所指向的，年诺贝尔物理学奖所指向的，是碳的另一张奇妙脸孔：石墨烯。是碳的另一张奇妙脸孔：石墨烯
6、。 金刚石结构石墨结构12 说道石墨烯就不得不先提到石墨。石墨是由说道石墨烯就不得不先提到石墨。石墨是由二维碳原子层纵向叠加而成。二维碳原子层纵向叠加而成。由于原子层之间的耦由于原子层之间的耦合比起同一层中碳原子之间的化学键结合小得多，合比起同一层中碳原子之间的化学键结合小得多，因此，石墨十分容易进行剥离因此，石墨十分容易进行剥离。 13n n石墨烯（石墨烯（石墨烯（石墨烯（graphenegraphene）是单层碳原子紧密堆积成）是单层碳原子紧密堆积成）是单层碳原子紧密堆积成）是单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构。其的二维蜂窝状晶格结构。其的二维蜂窝状晶格结构。其的二维蜂窝状晶格结构。
7、其厚度只有纳米厚度只有纳米厚度只有纳米厚度只有纳米, ,仅为头仅为头仅为头仅为头发的发的发的发的2020万分之一。万分之一。万分之一。万分之一。1415富勒烯（足球烯）碳纳米管结构碳纳米石墨石墨烯石墨烯富勒烯16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。石墨烯中的各个碳原子之间的连接十分柔韧，当对其施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了该材料结构的稳定性。17三三 石墨烯的基本性质石墨烯的基本性质n n 石墨烯具有优异的力学、热学、电学性能。石墨烯具有优异的力学、热学、电学性能。n n石墨烯的热导率石墨烯的热导率：石
8、墨烯的热导率约为石墨烯的热导率约为5000 5000 wm/Kwm/K，是室温下铜的热导率（，是室温下铜的热导率（401 wm/K401 wm/K）的）的1010倍多。倍多。n n石墨烯的密度：石墨烯的面密度为石墨烯的密度：石墨烯的面密度为0.77 mg/0.77 mg/。18n n石墨烯的石墨烯的石墨烯的石墨烯的抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度约为普通钢的约为普通钢的约为普通钢的约为普通钢的100100倍。倍。倍。倍。19n n石墨烯的电导率石墨烯的电导率：石墨烯的导电性比铜更好，计算可得石墨烯的导电性比铜更好，计算可得石墨烯的面电阻约为石墨烯的面电阻约为31 /sq31 /sq。 石墨烯最
9、大的特性是其原子内电子的运动速度达到了光速石墨烯最大的特性是其原子内电子的运动速度达到了光速的的1/3001/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。20n n石墨烯的石墨烯的石墨烯的石墨烯的透光性和颜色透光性和颜色透光性和颜色透光性和颜色：石墨烯的可见光透过率：石墨烯的可见光透过率：石墨烯的可见光透过率：石墨烯的可见光透过率97.7%97.7%，且与波长无关。因此自由悬浮的石墨烯是高度透明且无，且与波长无关。因此自由悬浮的石墨烯是高度透明且无，且与波长无关。因此自由悬浮的石墨烯是高度透明且无，且与波长无关。因此自由悬浮的石墨烯是高度透明且无色无味
10、的。色无味的。色无味的。色无味的。n n另一方面，它另一方面，它另一方面，它另一方面，它非常致密非常致密非常致密非常致密，即使是氦原子，即使是氦原子，即使是氦原子，即使是氦原子最小的气体原最小的气体原最小的气体原最小的气体原子也无法穿透。子也无法穿透。子也无法穿透。子也无法穿透。 21石墨烯制作石墨烯制作“ “皇帝的新衣皇帝的新衣” ”22n n目前对石墨烯的性能应用研究主要集中在电学性目前对石墨烯的性能应用研究主要集中在电学性能上，在高导热性和高强度等方面也有很诱人的能上，在高导热性和高强度等方面也有很诱人的前景。前景。四四 石墨烯的应用石墨烯的应用23 在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使
11、塑料在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高使塑料的抗热性能提高30。24微电子领域微电子领域 石墨烯在微电子领域具有巨大的应用潜力。研究人员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。 25在室温下硅基处理器的运行在室温下硅基处理器的运行速度达到速度达到4-5GHz 后就很难后就很难在继续提高。在继续提高。 使用石墨烯作为基质生产使用石墨烯作为基质生产出的处理器能够达到出的处理器能够达到1THz（即（即1000GHz）。）。曙光星云曙光星云天河一号天河一号26n n石墨烯还可以用
12、来制造超级电容器的导电板。石墨烯还可以用来制造超级电容器的导电板。石墨烯还可以用来制造超级电容器的导电板。石墨烯还可以用来制造超级电容器的导电板。27n n石墨烯可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场石墨烯可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场石墨烯可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场石墨烯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。上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的。上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的。上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的。传感器传感器光子传感器光子传感器28石墨烯还可用于制造透明的触摸显示屏、发光板和太石墨烯还可
13、用于制造透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。阳能电池板。29石墨烯的应用石墨烯的应用薄得像纸一样的概念手机薄得像纸一样的概念手机可折叠的显示器可折叠的显示器 石墨烯未来应用.flv30n甚至有人设想用石墨烯制造未来太空电梯缆线。甚至有人设想用石墨烯制造未来太空电梯缆线。31 五五 石墨烯材料的展望石墨烯材料的展望n n石墨烯产业最大的瓶颈在于还没有形成完整的产石墨烯产业最大的瓶颈在于还没有形成完整的产业链。业链。n n目前仍没有一种可以应用石墨烯的产品能够规模目前仍没有一种可以应用石墨烯的产品能够规模化生产。对石墨烯最大的需求仍然是各大院校及化生产。对石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研机
14、构的研究使用。科研机构的研究使用。32石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法机械方法化学方法微机械分离法取向附生法加热SiC氧化石墨还原法化学气相沉积法最重要的是石墨烯制备方法的改进，如何大量、低最重要的是石墨烯制备方法的改进，如何大量、低成本制备高质量的石墨烯材料应该是未来研究的一成本制备高质量的石墨烯材料应该是未来研究的一个重点。个重点。33n n从目前的技术发展来看，短期内最有可能实现从目前的技术发展来看，短期内最有可能实现从目前的技术发展来看，短期内最有可能实现从目前的技术发展来看，短期内最有可能实现工业化使用石墨烯的行业是复合材料领域和显工业化使用石墨烯的行业是复合材料领域和显工业化使用石墨烯的行业是复合材料领域和显工业化使用石墨烯的行业是复合材料领域和显示技术领域示技术领域示技术领域示技术领域。 n n有科学家预言：有科学家预言：有科学家预言：有科学家预言：20252025年以后电子行业可能从年以后电子行业可能从年以后电子行业可能从年以后电子行业可能从“ “硅硅硅硅” ”时代跨越到时代跨越到时代跨越到时代跨越到“ “石墨烯石墨烯石墨烯石墨烯” ”时代。时代。时代。时代。3435
