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        科普知識——什么是石墨烯
        2016.09.28   點擊4917次

            石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,并證實它可以單獨存在。隨著2010年諾貝爾物理獎頒給英國曼徹斯特大學51歲的俄裔荷籍教授安德烈.海姆和曾是他的博士生36歲的俄裔英、俄雙重國籍的教授康斯坦丁.諾沃肖洛夫之后,“石墨烯”這一專業名詞突然進入人們的眼簾,并廣為人知,但石墨烯是什么,它存在于何處,用什么辦法可以制得,它又有什么實用價值,知道的人可能并不多。

            就在我們身邊,鉛筆痕中就有

            其實,石墨烯就在我們身邊。鉛筆痕中就有,當你用鉛筆在紙上書寫時,鉛筆痕中就很可能有數十甚至上百層的石墨烯,大家都知道鉛筆是有石墨加粘土制成的。石墨含量越多,字跡就越黑,6B鉛筆芯是由80%石墨加20%粘土制成,字跡越黑表示字跡中石墨烯的層數也就更多。早在1564年德國就已經開始用石墨工業規模制造鉛筆,但是直到1779年人們才知道石墨是碳元素的一種物質形式,并用希臘詞意為“寫”的“graphite”為其命名。石墨是一層層的按六角形排列的碳原子網面,因層間分子間的相互作用力而平行堆疊,其中的每一張網平面就是石墨烯。如同一張鐵絲網,如圖1所示。

        石墨烯的結構
        圖1 石墨烯的結構

            石墨烯層與相鄰層之間的距離僅為0.335納米(每一納米為1毫米的百萬分之一)。由于層間僅靠較弱的分子間相互吸引,因此只要在書寫時稍加用力,鉛筆芯內石墨中的石墨烯就會粘附在紙上,由于許多層的強烈的吸光能力而呈現黑色,形成字跡。

            為何叫“石墨烯”,其尺度有多大?

            在有機化學中碳原子間有碳雙鍵的烯烴類化合物,如,乙烯(ethylene)、丁烯(butene)、苯(benzene),命名時均以ene結尾,石墨烯是石墨中的一個單層,該單層又全部由碳原子經原子間的雙鍵和單鍵聯成的六角苯環狀的網平面構成,因此被命名為graphene,當然其中文譯名也就相應地成了“石墨烯”。

            石墨烯是碳原子之間,如同手拉手一樣,相互成鍵形成的一種碳分子,隨加入碳原子數量的增多,網平面就能不斷擴大,其分子也就隨之變大。因此其尺度也就可大可小。單層石墨烯只有一個碳原子的厚度,即只有0.335納米,這一厚度約為頭發的20萬分之一,這樣1毫米厚度的石墨中就將近有150萬層左右的石墨烯。其實,任何物質都有長、寬、厚度,可以說都是三維的,但習慣上當某一方向為納米級時,便認為可將其忽略。那么。究竟多少層才可算做是二維石墨烯材料?由于石墨烯的電子結構等性能隨層數增加急劇改變,因此目前較為一致的意見是單層、雙層、多層(3-10層)三種都可算是二維石墨烯材料,而超過10層的就被認為是石墨薄膜。

        石墨、石墨烯、碳納米管和球烯之間的關系
        圖2 石墨、石墨烯、碳納米管和球烯之間的關系

            如圖2所示,石墨烯作為基本結構單元,不但能堆疊成立體的三維石墨,還可以單層或多層包卷起來,形成以長、寬、厚都極小的零維足球烯(碳60)為代表的各種富勒烯,也可單張卷成只有長度的一維碳納米管,由同一元素碳可形成具有不同性質和形態的各種同素異性體。

            完美原子晶體,奇特物理性能

            雖然石墨烯早就為專業人士所知曉,但物理學家一直認為隨物質厚度的降低,它變成蒸汽的溫度也會急劇減小,當減小到單分子層時就會變得極不穩定,從而斷定只有單原子厚度的石墨烯不可能單獨存在。然而,2004年,海姆和諾沃洛夫第一次將目前世界上最薄的物質石墨烯分離出來,并成功地進行了一系列物理性質的測定,正如諾貝爾物理獎評審委員會指出,由于對這一“完美原子晶體”的“開創性實驗”和“分離、認定和分類”,僅在6年后的今天兩人便因此而獲獎。

            當然,如果石墨烯本身如果沒有特殊的性能和極為寬廣的應用前景,也不會如此受到人們如此的重視。正如海姆所說:“它是目前已知的、世界上最薄的材料,也是有史以來所見過的、最結實的材料”。 石墨烯最大的特性是石墨烯中電子沒有質量,電子的運動速度達到了光速的1/300,遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。石墨幾乎是礦物質中最軟的,其莫氏硬度只有1~2級,但被撕開成一個碳原子厚度的石墨烯后,性能會發生突然變化,其硬度比莫氏硬度10級的金剛石還要高,但卻又有很好的韌性,而且可以彎曲。如果將一張保鮮膜大小的石墨烯蓋在杯子上,要想用一支鉛筆戳穿它,就需要有像一頭大象站在鉛筆上的重量才行。石墨烯強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。研究發現要使1米長的石墨烯斷裂,需施加相當于55牛頓的壓力,也就是說,用其制成的包裝袋將可承受約兩噸的重量。石墨烯的重量又非常輕,幾克這種材料就能覆蓋整個足球場。一平方米的石墨烯重量不到1毫克,僅相當于貓的一根胡須重,但是卻可以承受整個一只貓的重量。石墨烯中碳原子間連接非常柔韌,受力時網面像吊床一樣產生彎曲來保持其結構的穩定。其柔韌性和塑料薄膜一樣,可以隨意彎曲、折疊或者像卷軸一樣卷起來。單層的石墨烯可使許多基礎物理實驗成為可能,例如量子力學效應,超導特性等,石墨烯只有長寬的二維形式是研究基礎物理的最佳維度,它使物理研究更為豐富。石墨烯在接近“量子臨界點”時其電子的行為就像一種近乎完美的液體(具有高度湍流性、極低的黏性)。石墨烯的這種不同尋常的低黏度及強烈的電子相互作用,為一些有趣的納米電子應用提供了可能。通常情況下,材料的電阻不會隨電壓的改變而改變,但在石墨烯中卻有這種可能。更為突出的是,石墨烯的傳熱速度比銀和銅的高十多倍。單層石墨烯幾乎完全透明,吸光率僅2.3%,但它卻又十分致密,即使最小的氣體原子氮也無法透過。

            不同途徑得到,方法多種多樣

            鑒于石墨烯極其廣闊的應用前景,人們正力圖尋找各種各樣的方法來得到它,當然首先想到的是如何將石墨一層一層的分離。海姆等首先用所謂“機械剝離法”,其實就是用膠帶紙將排列得特別整齊的高取向石墨反復粘貼撕開,最后將粘在帶上的石墨烯轉貼到硅片上,然后用溶劑將膠帶溶去,在硅片上就可以得到單層或少數層的石墨烯。這一方法比較簡單,所得石墨烯也比較完整,可供進一步的性能研究,但是其產量低,很難制造大面積的材料。

            化學工作者想到用“化學剝離法”,通過化學反應將非碳原子插入到層間,使石墨層撐開,降低層間的引力,然后在水或溶劑中用高頻超聲波振動將氧化后的片層分開,分開的片層再通過化學方法或高溫使之脫氧還原成石墨烯。這一方法易于規;苽,但是氧化等化學反應及超聲處理和還原反應往往會造成石墨烯中碳原子的缺損,得到的石墨烯質量不高,性能較差。然而,最近“科學”雜志報道,單純通過納米加熱也可將絕緣的氧化石墨烯轉化為功能性導電納米線,整個過程只需一步完成。

            化學剝離法

            化學氣相沉積法是用含碳原子的氣態有機物如甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)等在鎳或銅等金屬基體上高溫分解,脫除氫原子的碳原子會沉積吸附在金屬表面連續生長成石墨烯。這一方法簡單易行,可大面積成長,且所得石墨烯較完整,質量更好,轉移到其它基體上使用也不困難,目前已成為主要方法之一。

            還有在一種晶體上生長出了另一種晶體層的外延生長法,例如在高溫和超高真空使單晶碳化硅“(SiC)中的硅原子蒸發,剩下的碳原子經結構重排形成石墨烯單層或多層,這一方法也可得到大面積的單層石墨烯,且質量較高。但單晶SiC的價格昂貴,生長條件也苛刻,生長出的石墨烯不易轉移到別的基體上使用,主要用于以SiC為襯底的石墨烯器件。

            除此之外,還有溶劑加熱法、靜電沉積法、微波輻射法、有機合成法等等?傊,石墨烯的研究熱也促使人們正極盡全力通過不同途徑以求經濟、簡便、快速地制得大面積高度完整的石墨烯。

            應用前景無限,有望改變生活

            實際應用時,石墨烯的用途或許不可限量,海姆表示:“我希望石墨烯能像塑料一樣改變我們的日常生活!弊鳛橐环N新“超級材料”,石墨烯可用于制造衛星、飛機、汽車,并應用于超級計算機的研發。石墨烯有望給微電子世界帶來革命性變化。石墨烯將代替現有晶體管的材料硅,使電腦運行速度更快。石墨烯的應用將主要集中在場效應管、觸摸屏、太陽能電池、復合材料等領域。石墨烯的電荷載體有高遷移率,使之可制成室溫下的彈道晶體管,其開關時間有可能縮減到10-13秒以下,并且能在太赫芝的超高頻率下運行。超導電子器件耗能少且開關時間更短,石墨烯的另一潛在應用是制作超導晶體管。目前,集成電路晶體管普遍采用硅材料制造,當硅材料的尺寸小于10納米時,用它制造出的晶體管穩定性變差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1個分子大小的單電子晶體管。此外,石墨烯高度穩定,即使被切成1納米寬的元件,導電性也很好。因此,普遍認為石墨烯將會最終替代硅,從而引發電子工業革命。

            通過調整雙分子層石墨烯的能帶隙可以把它從金屬轉變到半導體,因此可在雙層石墨烯的1平方毫米的片上裝有數以百萬計的不同的電子設備,并且這些裝置可隨意改裝。而石墨烯發光二極管將能發出任何遠至中紅外范圍的頻率,它甚至可以用于激光材料,產生從太赫茲到紅外的寬頻率。

            石墨烯擁有超凡的堅硬度、柔韌度、透明度和導電性,可以廣泛應用于觸摸屏和太陽能電池的制造中。韓國三星公司已在一個63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上,制造出一塊電視機大小的純石墨烯,并用該石墨烯制造出一塊柔性觸摸屏。這是制造更加堅硬、廉價以及更加柔韌的透明電子器件的第一步。從理論上來講,今后人們有可能將iPhone手機卷起,然后像鉛筆一樣將其別在耳后。

            石墨烯和單個心肌細胞之間能形成穩定接觸,從而可實現對細胞中電生理信號的高靈敏度、非侵入式檢測,將進一步發展為高集成納米生物傳感陣列。

            超級電容也稱雙電層電容器,是一種新型儲能裝置,能在幾秒鐘內完成充電,同時它還具有容量大、功率高、使用壽命長、經濟環保等特點,在數碼相機、掌上電腦、新能源汽車等領域都有著廣泛的應用價值。由石墨烯制得的新電容器效率更高,能在更短的時間內完成充電。

            氧化石墨烯納米懸液在與大腸桿菌孵育2小時后,對其抑制率可超過90%,氧化石墨烯的抗菌性源于其對大腸桿菌細胞膜的破壞。氧化石墨烯不僅是一種新型的優良抗菌材料,而且對哺乳動物細胞產生的細胞毒性很小,有望在環境和臨床領域得到廣泛的應用。

            在檢測氣體時石墨烯具有很低的噪聲信號,可精確探測單個氣體分子,使之在化學傳感器和分子探針方向有潛在應用前景。已證實石墨烯可以吸收大量氫氣,因而可望用于儲氫器材中。和其它結構相比,石墨烯具有極高的電導率、熱導率、及出色的機械強度;并且是單原子平面的二維晶體,將在高靈敏度檢測領域具有獨特的優勢。

            低成本的石墨烯使之作為增強填料在復合材料方面具有吸引力。石墨烯的大表面和體積之比以及高的導電率,可提高電池效率有可能取代炭纖維,炭粉等傳統材料,并將能降低超堅固炭/炭復合材料的成本,炭/炭復合材料在航空航天、汽車和建筑等領域具有廣泛的用途。將石墨烯與塑料復合,也可以憑借其韌性,創制出兼具超薄、超柔和超輕特性的“新型超強材料”。石墨烯不僅可制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣,甚至能讓科學家夢寐以求的“太空電梯成為現實。由太空電梯進入太空的成本將比通過火箭便宜很多,但其最大障礙之一,就是如何制造出一根從地面連向太空衛星、長達3.7萬公里并且足夠強韌的纜線,科學家證實石墨烯完全適合用來制造這一纜線。

          研發成為熱點,仍需不斷努力

            石墨烯是一種有可能顛覆人類生活的產品,幾乎可用在各種不同領域。盡管自2004年以來,已有大量石墨烯專利申請,石墨烯的產量也不斷增加。但是,目前全世界還無法實現石墨烯的規;a,石墨烯生產方面仍然處于探索階段,一克石墨烯甚至可賣到5000元,幾乎超過黃金價格的15倍。除了還不能找到合適方法擴大生產外,要真正大規模應用,也還有很多的困難,研發之路仍相當長。目前石墨烯的面積還不能做得比較大,一旦做大,表面就很容易變得坑坑洼洼,很難成為嚴格的二維平面。另外,各種制備方法都可能使原本應該是標準六邊形的石墨烯丟失其中的某些碳原子,形成有缺陷的石墨烯。因此,要能大規模地應用石墨烯,首先就要先解決能大規模地制作沒有雜質、形狀完整、面積較大的石墨烯。

            當前,國內外眾多物理、化學和材料方面的研究團隊正在全力攻堅,與石墨烯相關的新成果不斷涌現、日新月異,可以期待在不久的將來,石墨烯將成為一種普通的材料,其應用也將深入到我們生活的每一個角落。

         

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