石墨烯发展及应用

石墨烯发展及应用

2014-04-03 佚名 新材料观察

石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)，也可称为“单层石墨”。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。

石墨烯的发现历史

在本质上，石墨烯是分离出来的单原子层平面石墨。按照这说法，自从20世纪初，X射线晶体学的创立以来，科学家就已经开始接触到石墨烯了。1918年，V. Kohlschütter 和 P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质

（graphite oxide paper）。1948年，G. Ruess 和 F. Vogt发表了最早用穿透式电子显微镜拍摄的少层石墨烯（层数在3层至10层之间的石墨烯）图像。 关于石墨烯的制造与发现，最初，科学家试着使用化学剥离法

（chemical exfoliation method）来制造石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨层间化合物。在其三维结构中，每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过化学反应处理，除去嵌入的大原子或大分子后，会得到一堆石墨烯烂泥。由于难以分析与控制这堆烂泥的物理性质，科学家并没有继续这方面研究。还有一些科学家采用化学气相沉积法，将石墨烯薄膜外延生长（epitaxial growth）于各种各样基板（substrate），但初期品质并不优良。

于2004年，曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子理工学院

（Institute for Microelectronics Technology）的两组物理团队共同合作，首先分离出单独石墨烯平面。海姆和团队成员偶然地发现了一种简单易行的制备石墨烯的新方法。他们将石墨片放置在塑料胶带中， 折叠胶带粘住石墨薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。当然，仅仅是制备是不够的。通常，石墨烯会隐藏于一大堆石墨残渣，很难得会如理想一般地紧贴在基板上；所以要找到实验数量的石墨烯，犹如东海捞针。甚至在范围小到1cm2的区域内，使用那时代的尖端科技，都无法找到。海姆的秘诀是，如果将石磨烯放置在镀有在一定厚度的氧化硅的硅片上。 利用光波的干涉效应，就可以有效地使用光学显微镜找到这些石墨烯。这是一个非常精准的实验；例如，假若氧化硅的厚度相差超过5%，不是正确数值300nm，而是315nm，就无法观测到单层石墨烯。

近期，学者研究在各种不同材料基底上面的石墨烯的可见度和对比度，同时也提供一种简单易行可见度增强方法。另外，使用拉曼显微学（Raman microscopy）的技术做初步辨认，也可以增加筛选效率。

于2005年，同样曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子（quasiparticle）是无质量迪拉克费米子（Dirac fermion）。类似这样的发现引起一股研究石墨烯的热潮。从那时起，上百位才学兼优的研究者踏进这崭新领域。

现在，众所皆知，每当石墨被刮磨时，像用铅笔画线时，就会有微小石墨烯碎片被制成，同时也会产生一大堆残渣。在2004/05年以前，没有人注意到这些残渣碎片有什么用处，因此，石墨烯的发现应该归功于海姆团队，他们为固体物理学发掘了一颗闪亮的新星。

石墨烯的结构

石墨烯是一种从石墨 材料中剥离出的单层碳原子面材料。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米 （一个原子的直径，10的-10次方），把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。

石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。 碳原子中的四个绕核电子轨道分布在一个平面上。碳分子是几个碳原子在平面上的连接和展开，所以，碳分子与碳原子的薄度相似，只是平面更大了一些而已。碳原子或碳分子中的绕核电子只是在碳原子核的径方向面上存在着和运动着，就像土星中的光环，土星的两极方向是没有光环的，即，碳原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的。

单层石墨由交替的单双键构成，类似于有机中的多烯烃，故得名。其实这是一种习惯命名。烯是烃的一种，烃指的是碳氢化合物，而石墨烯明显不含氢元素。但我们可以看到，苯，C6H6，在经典价键理论中可以被命名为1，3，5-环己三烯，

两个苯环共边形成了萘（卫生球），C10H8，三个苯环共边形成了蒽和菲，C14H10，分子中氢元素的含量在不断下降，当这种形式无限扩展时，整个分子都由这种共边的苯环构成，边缘的氢分子几乎可以忽略，也就形成了石墨烯的结构。换句话说，石墨烯是由基本的烃的无限延伸的产物，所以也称之为烯。同样，前几年流行的C60，C70等被称为富勒烯也是这个原因。

石墨烯是一种从石墨 材料中剥离出的单层碳原子面材料。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米 （一个原子的直径，10的-10次方），把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。 石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。

碳原子中的四个绕核电子轨道分布在一个平面上。碳分子是几个碳原子在平面上 …… 此处隐藏：4109字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……