神奇的石墨烯

神奇的石墨烯上课班级：1班年级：13级专业：物理学学号：1308010227姓名：李铭洋电话：[phone]摘要：石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它的出现在学术界上引起了广泛的讨论。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。石墨烯是只有一个原子厚的结晶体，具有超薄、超坚固和超强导电性等特性，其优异的电学、热学和力学性能，在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用价值引起了科学界新一轮的“碳”热潮。1石墨烯的结构与特性石墨烯是已知材料中最薄的而且十分牢固坚硬的材料，它由碳原子六角结构紧密排列构成的二维单层石墨，是构造其他维度碳质材料的基本单元。石墨烯结构非常稳定，它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。2石墨烯的制备石墨烯的制备主要根据以下两种原理：一是以石墨为原料，通过削弱以及破坏石墨层间的范德华力来剥开石墨层从而得到石墨烯：二是基于活性碳原子的定向组装，“限制”碳原子沿平面方向生长。所以，现如今常用的石墨烯的制备方法主要分为物理及化学两种制备。物理方法主要有：微机械剥离法、印章切取转移印制法、模板法，化学方法主要有：氧化还原法，溶液剥离法、加热SiC法、化学气象沉积法等等。3石墨烯的应用3.1石墨烯在分析科学上的应用石墨烯有非常广阔的应用领域，首先对石墨烯在分析科学上的应用进行综述。由于石墨烯具有较大比表面积，是富电子的疏水材料，因此，非常适合于作为固相萃取的吸附剂。随着对石墨烯研究的不断深入，尤其是功能化修饰方法的不断发展，石墨烯将成为继碳纳米管之后又一种样品前处理新材料。由于石墨烯具有独特的结构及电子特性，在荧光光谱分析中也表现出良好的应用前景。3.2石墨烯在纳电子器件方面的应用2005年，Geim研究组与Kim研究组发现室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。荷兰科学家则报道了第一个石墨烯基超导场效应管，发现在电荷密度为零的情况下石墨烯仍然可以传输一定的电流，可能为低能耗、开关时间快的纳米尺度超导电子器件带来突破。与一维纳米材料相比，石墨烯基电子器件的显著优势是整个电路，包括导电通道、量子点、电极、势垒、分子开关及联结部件等，可在同一片石墨烯上获得，有可能避免一维材料基器件中难以实现的集成问题。目前，IBM、Intel等公司已相继投入巨资开展石墨烯在纳电子器件方面的应用探索。3.3石墨烯材料在电化学领域中的应用碳质材料是最早为人们所研究并商品化的锂离子电池负极材料，至今仍是大家关注和研究的重点之一，石墨烯作为一种由石墨出发制备的新型碳质材料，单层或者薄层石墨烯在锂离子电池中的应用潜力也进入研究者的视野之中。由于石墨烯具有特殊的原子结构和电子结构，使其在复合材料中也有一定的结构优势和性能优势，特别是在锂离子电池中充当负极材料，在锂离子的脱插过程中，可以在一定程度上缓冲材料体积的“伸缩运动”，延长材料的循环寿命及增强其性能。以上研究说明石墨烯基复合材料虽然目前尚处于研究阶段，但在锂离子电池负极材料中具有较好的应用前景。碳质材料是最早也是目前研究和应用得很广泛的超级电容器电极材料。自成功制备出石墨烯以来，人们开始探究这种sp2结构的碳质材料在超级电容器中应用的可能性。经实验表明，在石墨烯片层叠加而形成宏观体的过程中，形成的孔隙集中在100nm以上，有利于电解液的扩散。3.4石墨烯其它的潜在应用随着石墨烯低成本、大规模制备技术的发展，许多应用也相继出现，并越来越受到重视。其中，复合材料是石墨烯有望最快得到应用的方向之一。石墨烯具有优异的氢气吸附特性，可望在储氢材料领域得到应用。例如，2006年Ruoff研究组在Nature上报道了第一个石墨烯基复合材料，其渗流阈值与纳米碳管聚苯乙烯复合材料相当，并具有高导热性和高强度等特点，可望制成导电塑料用于太阳能电池板或计算机中的散热部件。最近，该研究组利用流体定向方法将离散的氧化石墨烯组装成高强度、高硬度、高韧性的纸状材料，为其在超级电容器、分子存储材料以及性能可控的渗透膜等方面的应用奠定了基础。此外，由于原子尺度的厚度、优异的电学质量、极其微弱的自旋-轨道耦合、超精细相互作用的缺失以及电学性能对外场敏感等特性，石墨烯还可望在场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域获得广泛应用。如Schedin等利用石墨烯制成了第一个可以精确探测单个气体分子的化学传感器，极大提高了微量气体快速检测的灵敏性。总结在短短的几年间，石墨烯从一个新生儿快速成长为科学界的新星，并且石墨烯有望在诸多领域发挥重大作用，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。石墨烯这一目前世界上最薄的物质首先让凝聚态物理学家们惊喜不已。性质上的优势使得石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中；其良好的导电性及其对光的高透过性又让它在透明导电薄膜的应用中独具优势，而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。与此同时，石墨烯在高灵敏度传感器和高性能储能器件方面也已经展示出诱人的应用前景。可以说，石墨烯的出现不仅给科学家们提供了一个充满魅力与无限可能的研究对象，更让我们对其充满了期待，也许在不久的将来，石墨烯就会为我们搭建起更加便捷与美好的生活。虽然石墨烯可以给我科学发展带来无尽可能，但在石墨烯的研究与应用中仍然存在很多挑战：第一，如何大规模制备高质量石墨烯；第二，石墨烯的很多性质尚不清楚，如电子性能、磁性等；第三，探索石墨烯新的应用领域，目前最有前景的应用有晶体管、太阳能电池和传感器等，不同的应用领域对石墨烯的要求也不同。石墨烯的发现已发了一股“碳”热潮，近几年几乎全世界都在跟风似的致力于研究这种新型材料，我在想，中国的工程师们在跟风的同时能否去开发新的材料，摆脱跟风的恶性循环，真正的实现中国发现。参考文献：1.石墨烯的制备、表征及功能化的研究[D]胡登平2.什么是石墨烯—2010年诺贝尔物理学奖介绍[J]大学物理3.石墨烯在分析化学中的应用[J].化学通报20114.氧化石墨烯及其与聚合物的复合[J].新型炭材料，20115.《NATURE》2006年5月期