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石墨�
閱讀�37607�(shí)間:2011-02-11 16:21:33

  石墨烯的命名�(lái)自英文的graphite(石墨) + -ene(烯類�(jié)�),也可稱為“單層石墨”[5]。石墨烯被認(rèn)為是平面多環(huán)芳香烴原�晶體。石墨烯的碳原子排列與石墨的單原子層雷同,是碳原子以sp2混成軌域呈蜂巢晶�(honeycomb crystal lattice)排列�(gòu)成的單層二維晶體。石墨烯不僅是已知材料中最薄的一�,還非常牢固�(jiān)�;作為單�(zhì),它在室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都��

�(fā)�(xiàn)歷史

  在本�(zhì)�,石墨烯是分離出�(lái)的單原子層平面石墨。按照這說(shuō)�,自�20世紀(jì)�,X射線晶體�(xué)的創(chuàng)立以�(lái),科�(xué)家就已經(jīng)開始接觸到石墨烯��1918�,V. Kohlschütter � P. Haenni詳細(xì)地描述了石墨氧化物紙的性質(zhì)(graphite oxide paper)[8]�1948�,G. Ruess � F. Vogt�(fā)表了最早用穿透式電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯(層數(shù)�3層至10層之間的石墨烯)圖像[9]�

  �(guān)于石墨烯的制造與�(fā)�(xiàn),最初,科學(xué)家試著使用化�(xué)剝離法(chemical exfoliation method)來(lái)制造石墨烯。他們將大原子或大分子嵌入石�,得到石墨層間化合物。在其三維結(jié)�(gòu)�,每一層石墨可以被視為單層石墨烯。經(jīng)�(guò)化學(xué)反應(yīng)處理,除去嵌入的大原子或大分子后,會(huì)得到一堆石墨烯爛泥。由于難以分析與控制這堆爛泥的物理性質(zhì),科�(xué)家并�(méi)有繼�(xù)這方面研究。還有一些科�(xué)家采用化�(xué)氣相沉積�,將石墨烯薄膜外延生�(zhǎng)(epitaxial growth)于各種各樣基板(substrate�,但初期品質(zhì)并不�(yōu)良[10]�

  �2004年,曼徹斯特大學(xué)和俄�(guó)切爾諾戈洛夫卡微電子理工�(xué)院(Institute for Microelectronics Technology)的兩組物理�(tuán)�(duì)共同合作,首先分離出單獨(dú)石墨烯平面[11]。海姆和�(tuán)�(duì)成員偶然地發(fā)�(xiàn)了一種簡(jiǎn)單易行的制備石墨烯的新方�。他們將石墨片放置在塑料膠帶中, 折疊膠帶粘住石墨薄片的兩�(cè),撕開膠�,薄片也隨之一分為二。不斷重�(fù)這一�(guò)�,就可以得到越來(lái)越薄的石墨薄�,而其中部分樣品僅由一層碳原子�(gòu)成——他們制得了石墨�。當(dāng)�,僅僅是制備是不夠的。通常,石墨烯�(huì)隱藏于一大堆石墨�?jiān)?,很難得�(huì)如理想一般地緊貼在基板上;所以要找到�(shí)�(yàn)�(shù)量的石墨�,猶如東海撈�。甚至在范圍小到1 cm2的區(qū)域內(nèi),使用那�(shí)代的科技,都�(wú)法找�。海姆的秘訣�,如果將石磨烯放置在鍍有在一定厚度的氧化硅的硅片�� 利用光波的干涉效�(yīng),就可以有效地使用光�(xué)顯微鏡找到這些石墨�。這是一�(gè)非常精準(zhǔn)的實(shí)�(yàn);例�,假若氧化硅的厚度相差超�(guò)5%,不是正確數(shù)�300nm,而是315nm,就�(wú)法觀�(cè)到單層石墨烯[10]�

  近期,學(xué)者研究在各種不同材料基底上面的石墨烯的可見度和對(duì)比度,同�(shí)也提供一種簡(jiǎn)單易行可見度增強(qiáng)方法[12]。另�,使用拉曼顯微學(xué)(Raman microscopy)的技�(shù)做初步辨�(rèn),也可以增加篩選效率[13]�

  �2005年,同樣曼徹斯特大學(xué)�(tuán)�(duì)與哥倫比亞大�(xué)的研究者證�(shí)石墨烯的�(zhǔn)粒子(quasiparticle)是�(wú)�(zhì)量迪拉克�(fèi)米子(Dirac fermion�。類似這樣的發(fā)�(xiàn)引起一股研究石墨烯的熱�。從那時(shí)�,上百位才學(xué)兼優(yōu)的研究者踏�(jìn)這嶄新領(lǐng)域�

  �(xiàn)�,眾所皆知,每�(dāng)石墨被刮磨時(shí),像用鉛筆畫線時(shí),就�(huì)有微小石墨烯碎片被制成,同時(shí)也會(huì)�(chǎn)生一大堆�?jiān)�11]。在2004/05年以�,沒(méi)有人注意到這些�?jiān)槠惺裁从锰帲虼?,石墨烯的發(fā)�(xiàn)�(yīng)該歸功于海姆�(tuán)�(duì)[14],他�?yōu)楣腆w物理�(xué)�(fā)掘了一顆閃亮的新星�

�(jié)�(gòu)

  石墨烯是一種從石墨 材料中剝離出的單層碳原子面材�。這種石墨晶體薄膜的厚度只�0.335納米 (一�(gè)原子的直��10�-10次方),�20�(wàn)片薄膜疊加到一�,也只有一根頭�(fā)絲那么厚�

  石墨烯在原子尺度上結(jié)�(gòu)非常特殊,必須用相對(duì)論量子物理學(xué)才能描繪�

  碳原子中的四�(gè)繞核電子軌道分布在一�(gè)平面�。碳分子是幾�(gè)碳原子在平面上的連接和展�,所以,碳分子與碳原子的薄度相似,只是平面更大了一些而已。碳原子或碳分子中的繞核電子只是在碳原子核的徑方向面上存在著和運(yùn)�(dòng)�,就像土星中的光�(huán),土星的兩極方向是沒(méi)有光�(huán)�,即,碳原子核兩極的軸方向上是沒(méi)有繞核電子的�

  單層石墨由交替的單雙鍵構(gòu)�,類似于有機(jī)中的多烯烴,故得�。其�(shí)這是一種習(xí)慣命�。烯是烴的一種,烴指的是�?xì)浠�?,而石墨烯明顯不含氫元素。但我們可以看�,苯,C6H6,在�(jīng)典價(jià)鍵理論中可以被命名為1�3�5-�(huán)己三�,兩�(gè)苯環(huán)共邊形成了萘(衛(wèi)生球�,C10H8,三�(gè)苯環(huán)共邊形成了蒽和菲,C14H10,分子中氫元素的含量在不斷下�,當(dāng)這種形式�(wú)限擴(kuò)展時(shí),整�(gè)分子都由這種共邊的苯�(huán)�(gòu)�,邊緣的氫分子幾乎可以忽�,也就形成了石墨烯的�(jié)�(gòu)。換句話�(shuō),石墨烯是由基本的烴的無(wú)限延伸的�(chǎn)�,所以也稱之為烯。同樣,前幾年流行的C60,C70等被稱為富勒烯也是這�(gè)原因�

  石墨烯是一種從石墨 材料中剝離出的單層碳原子面材�。這種石墨晶體薄膜的厚度只�0.335納米 (一�(gè)原子的直��10�-10次方),�20�(wàn)片薄膜疊加到一�,也只有一根頭�(fā)絲那么厚�

  石墨烯在原子尺度上結(jié)�(gòu)非常特殊,必須用相對(duì)論量子物理學(xué)才能描繪�

  碳原子中的四�(gè)繞核電子軌道分布在一�(gè)平面�。碳分子是幾�(gè)碳原子在平面上的連接和展�,所�,碳分子與碳原子的薄度相似,只是平面更大了一些而已。碳原子或碳分子中的繞核電子只是在碳原子核的徑方向面上存在著和運(yùn)�(dòng)�,就像土星中的光�(huán),土星的兩極方向是沒(méi)有光�(huán)�,即,碳原子核兩極的軸方向上是沒(méi)有繞核電子的�

  單層石墨由交替的單雙鍵構(gòu)�,類似于有機(jī)中的多烯�,故得名。其�(shí)這是一種習(xí)慣命�。烯是烴的一�,烴指的是碳?xì)浠�?,而石墨烯明顯不含氫元素。但我們可以看�,苯,C6H6,在�(jīng)典價(jià)鍵理論中可以被命名為1�3�5-�(huán)己三�,兩�(gè)苯環(huán)共邊形成了萘(衛(wèi)生球�,C10H8,三�(gè)苯環(huán)共邊形成了蒽和菲,C14H10,分子中氫元素的含量在不斷下�,當(dāng)這種形式�(wú)限擴(kuò)展時(shí),整�(gè)分子都由這種共邊的苯�(huán)�(gòu)�,邊緣的氫分子幾乎可以忽�,也就形成了石墨烯的�(jié)�(gòu)。換句話�(shuō),石墨烯是由基本的烴的無(wú)限延伸的�(chǎn)�,所以也稱之為烯。同�,前幾年流行的C60,C70等被稱為富勒烯也是這�(gè)原因�

特�

  1.穩(wěn)定�

  石墨烯結(jié)�(gòu)�(wěn)定:石墨烯中碳原子均由共�(jià)鍵相�,共�(jià)鍵的鍵能是相�(duì)比較高的,相�(duì)于分子間作用�、氫�、金屬鍵�,共�(jià)鍵不易被破壞。由于石墨烯的結(jié)�(gòu)其實(shí)是一�(gè)大的離域π�,其C-C鍵的�(qiáng)度要高于金剛石的單鍵,我們也可以從熱力學(xué)的角度看到石墨的熔點(diǎn)�3850℃左�,金剛石的熔�(diǎn)僅為3550℃左右,不難�(fā)�(xiàn),石墨比金剛石更加穩(wěn)定�

  2.導(dǎo)電�

  PPT5面心立方堆積(銅�,六方堆積(鎂),體心立方堆積(鉀�

  金屬的導(dǎo)電機(jī)理:金屬是金屬陽(yáng)離子以密堆積的形式“浸�(méi)”在電子的海洋里,金屬是通過(guò)自由電子的定向移�(dòng)�(lái)�(dǎo)電的。但金屬鍵是不牢固的,例如金屬的延展性就是原子層�(fā)生平移的�(jié)果。所�,金屬常常會(huì)出現(xiàn)空穴或雜原子等晶體缺�,破壞了金屬的規(guī)則的晶體�(jié)�(gòu),當(dāng)電子�(jīng)�(guò)這些缺陷�(shí),就容易�(fā)生散射等�(xiàn)象,降低了電子定向移�(dòng)的速度,影響了�(dǎo)電��

  石墨烯的特性是其中電子的運(yùn)�(dòng)速度�(dá)到了光速的1/300,遠(yuǎn)�(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)�(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子的性質(zhì)和相�(duì)論性的中微子非常相似�

  石墨烯的�(dǎo)電機(jī)理:由于石墨烯所有原子均參與了離�,所以其整�(gè)片層上下兩側(cè)電子都可以自由移�(dòng)。并且由于共�(jià)單鍵的穩(wěn)定�,石墨烯不會(huì)出現(xiàn)某位置碳原子的缺失或被雜原子替換,保證了大π鍵的完整�,電子在其中移動(dòng)�(shí)不會(huì)受到晶體缺陷的干�,得以高速傳�(dǎo),因此石墨烯有著超強(qiáng)的導(dǎo)電��

  3. 透明性與不透明�

  由于石墨烯是單薄片狀�(tài)�,光子雖然不能穿透碳原子核,但是,可以穿透碳原子核之間的廣大的空間,所�,石墨烯是一種透明的物�(zhì),當(dāng)幾�(gè)石墨烯分子層疊加在一起時(shí),由于碳原子核排列有序(就像檢閱�(chǎng)上的方隊(duì)那樣�,光很容易穿透方�(duì)中的間隙呈現(xiàn)透明狀�(tài)�

  盡管只有單層原子厚度,但石墨烯有相當(dāng)?shù)牟煌该鞫龋嚎梢晕沾蠹s2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對(duì)論性的體現(xiàn)�

  4.�(jī)械特�

  石墨烯之所以硬,是�?yàn)樘荚踊虻睦@核電子只是在碳原子核的徑方向面上存在著和�(yùn)�(dòng)�,碳原子核兩極的軸方向上是沒(méi)有繞核電子的,就是說(shuō),石墨烯表面上立的或排列的都是原子核,如果外部物�(zhì)與它撞擊,撞擊的不是繞核電子而是直接撞擊在原子核�,所以,石墨烯表面顯示的非常��

制備方法

  �2008那年,由�(jī)械剝離法制備得到的石墨烯乃世界最貴的材料之一,人�(fā)截面尺寸的微小樣品需要花�(fèi)$1,000[11]。漸漸地,隨著制備程序的�(guī)模化,成本降低很�?,F(xiàn)�,公司行�(hào)能夠以公噸為�(jì)量單位來(lái)買賣石墨�。換另一方面,生�(zhǎng)于碳化硅表面上的石墨烯晶膜的�(jià)錢主要決定于基板成本,在2009年大約為 $100/cm2。韓�(guó)研究者,使用化學(xué)氣相沉積�,將碳原子沉積于鎳金屬基�,形成石墨烯,浸蝕去鎳金屬后,轉(zhuǎn)換沉積至其它種基�。這樣,可以更便宜地制備出尺寸�(dá)30英寸寬的石墨烯薄��

  撕膠帶法/輕微摩擦�

  最普通的是微�(jī)械分離法,直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來(lái)� 2004�,海姆等用這種方法制備出了單層石墨�,并可以在外界環(huán)境下�(wěn)定存�。典型制備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨�(jìn)行摩擦,體相石墨的表面會(huì)�(chǎn)生絮片狀的晶�,在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。但缺點(diǎn)是此法利用摩擦石墨表面獲得的薄片�(lái)篩選出單層的石墨烯薄�,其尺寸不易控制,無(wú)法可靠地制造長(zhǎng)度足供應(yīng)用的石墨薄片樣本�

  碳化硅表面外延生�(zhǎng)

  該法是通過(guò)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(guò)程是:將�(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過(guò)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�1250~1450℃后恒溫1min~20min,從而形成極薄的石墨�,經(jīng)�(guò)幾年的探�,克萊爾?伯格(Claire Berger)等人已�(jīng)能可控地制備出單層或是多層石墨烯。在C-terminated表面比較容易得到高達(dá)100層的多層石墨�。其厚度由加熱溫度決定,制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難�

  金屬表面生長(zhǎng)

  取向附生法是利用生長(zhǎng)基質(zhì)原子�(jié)�(gòu)“種”出石墨�,首先讓碳原子在1150℃下滲入�,然后冷卻,冷卻�850℃后,之前吸收的大量碳原子就會(huì)浮到釕表�,鏡片形狀的單層的碳原子� 孤島� 布滿了整�(gè)基質(zhì)表面,最終它們可�(zhǎng)成完整的一層石墨烯。層覆蓋 8 0 %后,第二層開始生長(zhǎng)。底層的石墨烯會(huì)與釕�(chǎn)生強(qiáng)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�(xiàn)令人滿意。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均�,且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會(huì)影響碳層的特�。另外彼得·瑟特(Peter Sutter)等使用的基�(zhì)是稀有金屬釕�

  氧化減薄石墨片法

  石墨烯也可以通過(guò)加熱氧化的辦法一層一層的減薄石墨�,從而得到單、雙層石墨烯�

  肼還原法

  將氧化石墨烯紙(graphene oxide paper)置入純肼溶液(一種氫原子與氮原子的化合物�,這溶液會(huì)使氧化石墨烯紙還原為單層石墨��

  乙氧鈉裂�

  一份于2008年發(fā)表的論文,描述了一種程序,能夠制造達(dá)到公克數(shù)量的石墨�。首先用納金屬還原乙醇,然后將得到的乙醇鹽(ethoxide)產(chǎn)物裂�,經(jīng)�(guò)水沖洗除去鈉�,得到黏在一起的石墨�,再用溫和聲波振�(dòng)(sonication)振散,即可制成公克�(shù)量的純石墨烯�

  切割碳納米管�

  切割碳納米管也是制造石墨烯帶的正在試驗(yàn)中的方法。其中一種方法用�(guò)錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多層壁碳納米管(Multi-walled carbon nanotubes�。另外一種方法使用等離子體刻蝕(plasma etching)一部分嵌入于聚合物的納米管�

�(yīng)�

  一.儲(chǔ)氫材�

  氫氣是一種清潔高效的新能�,然而氫氣的�(chǔ)�(yùn)難題一直制約著這種它的�(fā)展和推廣。一定的條件�,儲(chǔ)氫材料吸附氫氣量和其比表面積成正比。石墨烯擁有�(zhì)量輕、高化學(xué)�(wěn)定性和高比表面積的�(yōu)�(diǎn)�

  希臘大學(xué)�(shè)�(jì)了新�3D 碳材�,孔徑尺寸可調(diào),他們將其稱為石墨烯柱。當(dāng)這種新型碳材料摻雜了鋰原子或鈣原子后�(chǔ)氫量是鑭鎳金屬化合物�436倍和581�,載氫能力的差距十分明顯�

  這些研究�(jié)果體�(xiàn)了石墨烯在能源方面應(yīng)用的光明前景�

  二.代替硅生�(chǎn)超級(jí)�(jì)算機(jī)

  根據(jù)半導(dǎo)體業(yè)著名的摩爾定律(由英特爾�(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出�,芯片的集成度(集成電路上可容納的晶體管�(shù)目)�18�(gè)月提高一�,即加工線寬縮小一半。但是硅材料的加工極限一般認(rèn)為是10納米線寬。受物理原理的制�,采用目前的工藝和硅基半�(dǎo)體材料來(lái)延長(zhǎng)摩爾定律壽命的發(fā)展道路已逐漸接近終點(diǎn)�

  然�,石墨烯的出�(xiàn)�?qū)⒘钅柖傻靡匝永m(xù),電子能在石墨烯平面上的遷移速率為傳�(tǒng)半導(dǎo)體硅材料的數(shù)十至上百�。這一�(yōu)�(shì)使得石墨烯很有可能取代硅成為下一代超高頻率晶體管的基�(chǔ)材料制造新型超高速計(jì)算機(jī)芯片,廣泛應(yīng)用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。目�,海姆領(lǐng)�(dǎo)的小組已開發(fā)出了10納米�(jí)可實(shí)際運(yùn)行的石墨烯晶體管,還在研制由單原子組成的晶體�。IBM 宣布研發(fā)出號(hào)稱全世界速度最快的石墨烯場(chǎng)效晶體管 (FET),可�26GHz頻率下運(yùn)�。該公司研究人員�(yù)�(cè),碳元素更高的電子遷移率,可望使該種材料超越硅的極限,達(dá)�100GHz以上的速度跨入兆赫(terahertz)�(lǐng)�。在將來(lái)由石墨烯�(gòu)成的全碳電路將廣泛應(yīng)用于人們的日常生活��

  三.太陽(yáng)能集熱材�

  小尺寸效�(yīng),當(dāng)顆粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波�(zhǎng)等物理特征尺寸相�(dāng)或更小時(shí),晶體周期性的邊界條件將被破壞,導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力�(xué)等特性呈�(xiàn)新的物理性質(zhì)。對(duì)超微顆粒而言,尺寸變�,同�(shí)其比表面積卻顯著增加�

  事實(shí)上,所有的金屬 在超微顆粒狀�(tài)都呈�(xiàn)為黑�。尺寸越小,顏色愈黑,銀白色的鉑 變成鉑黑,金屬鉻 變成鉻黑。(葡萄� 溶液,氨�,硝酸銀溶液,不要晃�(dòng)試管,否則只�(huì)看到黑色沉淀,鐵粉還原硝酸銀�

  超微顆粒�(duì)光的反射率很�,通常可低于l�,大約幾微米的厚度就能完全消�。利用這�(gè)特性可以作為高效率的光�、光電等�(zhuǎn)換材料,可以高效率地將太�(yáng)能轉(zhuǎn)�?yōu)闊崮?、電�?/FONT>

  四.太空�

  由于石墨烯中碳碳原子主要以共�(jià)單鍵的形式連接,具有極�(qiáng)的機(jī)械性能,強(qiáng)度在鋼鐵�200倍以�。那么這么�(jiān)硬的東西可以用在哪里�?

  前不久我�(guó)剛剛�(fā)射了嫦娥二號(hào)探月�(wèi)星,是搭載在�(zhǎng)征系列火箭上�(fā)射升空的。火箭的�(fā)射雖然只有短短的�(shù)分鐘的時(shí)�,卻耗費(fèi)著大量的人力物力,成本及其高昂。因此人們一直以�(lái)都在尋找一種更為廉�(jià)的太空探索方�。于�,一種名為“太空梯”的方案�(jìn)入了人們的視線�