您好,歡迎來到試劑儀器網! [登錄] [免費注冊]
平特三中二
位置:平特三中二 > 資料中心 > 行業百科
百科分類
試劑
儀器
分析儀器
實驗室常用設備
光學儀器及設備
物性測試儀器及設備
測量/計量儀器
環境監測儀器
生命科學儀器
行業專用儀器
工業在線及過程控制儀器
耗材與配件
設備
化工設備
原料、中間體、氣體
原料、中間體
農用化學品
石墨烯材料
什么是石墨烯?

    石墨烯,Graphene,是一種由單層碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的片狀結構的新材料,是只有一個碳原子厚度的二維晶體材料。把石墨烯卷成圓筒形,就是一維的碳納米管。把石墨烯堆起來,就成為三維的石墨。與金剛石一樣,它們都是碳的大家庭成員。

石墨烯的研究歷史

    在本質上,石墨烯是分離出來的單原子層平面石墨。按照這說法,自從20世紀初,X射線晶體學的創立以來,科學家就已經開始接觸到石墨烯了。1918年,V. Kohlschütter和P. Haenni詳細地描述了石墨氧化物紙的性質(graphite oxide paper)。1948年,G. Ruess和F. Vogt發表了最早用透射電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯(層數在3層至10層之間的石墨烯)圖像。

    關于石墨烯的制造與發現,最初,科學家試著使用化學剝離法(chemical exfoliation method)來制造石墨烯。他們將大原子或大分子嵌入石墨,得到石墨層間化合物。在其三維結構中,每一層石墨可以被視為單層石墨烯。經過化學反應處理,除去嵌入的大原子或大分子后,會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,科學家并沒有繼續這方面研究?;褂幸恍┛蒲Ъ也捎沒喑粱?,將石墨烯薄膜外延生長(epitaxial growth)于各種各樣襯底(substrate),但初期品質并不優良。

    石墨烯一直被認為是假設性的結構,無法單獨穩定存在,直至2004年,曼徹斯特大學和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子工藝研究所(Institute for Microelectronics Technology)的兩組物理團隊共同合作,首先分離出單獨石墨烯平面。海姆和團隊成員偶然地發現了一種簡單易行的制備石墨烯的新方法。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側,撕開膠帶,薄片也隨之一分為二。不斷重復這一過程,就可以得到越來越薄的石墨薄片,而其中部分樣品僅由一層碳原子構成——他們制得了石墨烯。當然,僅僅是制備是不夠的。通常,石墨烯會隱藏于一大堆石墨殘渣,很難得會如理想一般地緊貼在基板上;所以要找到實驗數量的石墨烯,猶如東海撈針。甚至在范圍小到1cm2的區域內,使用那時代的尖端科技,都無法找到。海姆的秘訣是,如果將石墨烯放置在鍍有在一定厚度的氧化硅的硅片上。利用光波的干涉效應,就可以有效地使用光學顯微鏡找到這些石墨烯。這是一個非常精準的實驗;例如,假若氧化硅的厚度相差超過5%,不是正確數值300nm,而是315nm,就無法觀測到單層石墨烯。

    近期,學者研究在各種不同材料基底上面的石墨烯的可見度和對比度,同時也提供一種簡單易行可見度增強方法。另外,使用拉曼顯微學(Raman microscopy)的技術做初步辨認,也可以增加篩選效率。

    于2005年,同樣曼徹斯特大學團隊與哥倫比亞大學的研究者證實石墨烯的準粒子(quasiparticle)是無質量迪拉克費米子(Dirac fermion)。類似這樣的發現引起一股研究石墨烯的熱潮。從那時起,上百位才學兼優的研究者踏進這嶄新領域。

    現在,眾所皆知,每當石墨被刮磨時,像用鉛筆畫線時,就會有微小石墨烯碎片被制成,同時也會產生一大堆殘渣。在2004/05年以前,沒有人注意到這些殘渣碎片有什么用處,因此,石墨烯的發現應該歸功于海姆團隊,他們為固體物理學發掘了一顆閃亮的新星。


石墨烯創造的記錄之最

    ----石墨烯是世上最薄的材料。 

  石墨烯只有0.34納米厚,十萬層石墨烯疊加起來的厚度大概等于一根頭發絲的直徑,人們用肉眼是看不見它的。 

  ----石墨烯是人類已知強度最高的物質。 

  它比鉆石還堅硬,單位重量的強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。 

  哥倫比亞大學的物理學家用金剛石制成的探針測試石墨烯的承受能力,它們每100納米距離上可承受的最大壓力竟然達到了2.9微牛左右。這意味著,“如果用石墨烯制成包裝袋,那么它將能承受大約兩噸重的物品”。 

  ----石墨烯電阻率極低,電子遷移的速度極快。 

  在石墨烯中,電子能夠以極為高速地遷移,常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s,遷移速率可達光速的三百分之一,遠遠高出其在碳納米管以及硅、銅等傳統半導體和導體中的速率。 

  電子在石墨烯里邊好像沒有質量一樣,運動速度非???。因為有了電子能量不會被損耗的特點,使這種材料具有了非比尋常的優良特性?!?nbsp;

  ----它的另一特性讓材料學家更為驚喜,該材料幾乎完全透光,透光率在97%以上。 

  ----它導熱系數高達5300 W/m·K,高于碳納米管和金剛石,而電阻率只約10-6 Ω·cm,比銅或銀更低,為目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低,電子跑的速度極快,因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質上是一種透明、良好的導體,也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。它的這些神奇的特性使它有望在現代電子科技領域引發一輪革命。隨著批量化生產以及大尺寸等難題的逐步突破,石墨烯的產業化應用步伐正在加快,基于已有的研究成果,最先實現商業化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池等領域。 

  ----其中,透明電極的應用最引人注目。傳統的電導電極應用的是氧化銦錫,而這種材料脆度較高,比較容易損毀。透光率也比較低。與之相比,石墨烯不僅更加堅硬,性能也更好。石墨烯良好的電導性能和透光性能,使它在透明電導電極方面有非常好的應用前景。平板電腦、手機等數碼產品對大尺寸觸摸屏日益增長的需求也為石墨烯的應用提供了廣闊的市場。 

  ----用于集成電路芯片的候選材料。由于基本物理規律的物理極限,硅芯片遲早有一天會因為尺寸無法繼續縮小而走向終結。而石墨烯與碳納米管這對親兄弟具有類似的性能,高的載流子遷移率以及熱導,都成為了下一代集成電路芯片材料的候補對象。2012年,美國IBM公司成功研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路,使得石墨烯特殊的電學性能彰顯出應用前景。 

  ----另一方面,新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。石墨烯太陽能技術的光電轉換效率高達60%,是現有多晶硅太陽能技術的2倍。之前美國麻省理工學院已成功研制出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板,可極大降低制造透明可彎曲太陽能電池的成本。 

  ----美國加州大學洛杉磯分校的研究人員開發出一種以石墨烯為基礎的微型超級電容器,該電容器不僅外形小巧,而且充電速度為普通電池的1000倍。這種超級電容器的儲存能量密度會大于現有的電容器。 

  ----應用方面最新的、也是最吸引人眼球的亮點是石墨烯電池。去年八月世界電動汽車之王特斯拉公司董事長宣告將推出續航里程為800公里的石墨烯聚合材料電池汽車。緊接著西班牙一家以工業規模生產石墨烯的Graphenano公司同西班牙科爾瓦多大學合作開發出首例石墨烯聚合材料電池,其儲電量是目前市場最好產品的三倍,用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里,而其充電時間不到8分鐘。電池技術是電動汽車大力推廣和發展的最大瓶頸,石墨烯儲能器件研制成功后,若能批量生產,則將為電池產業乃至電動車產業帶來新的變革。 


石墨烯制備方法

目前,石墨烯材料的制備方法主要有四種:微機械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法。

2004年英國Manchester大學的Geim和Novoselov等人利用微機械剝離法,也就是用膠帶撕石墨獲得了單層石墨烯,并驗證了二維晶體的獨立存在。他們利用氧等離子束在1mm厚的高定向熱解石墨(HOPG)表面刻蝕出20微米見方、深5微米的微槽,并將其用光刻膠壓制在SiO2/Si襯底上,然后用透明膠帶反復撕揭,剝離出多余的石墨片。隨后將粘有剩余微片的SiO2/Si襯底浸入丙酮溶液中,超聲去除樣品表面殘余的膠和大多數較厚的片層。所得到的厚度小于10nm片層主要依靠范德華力吸附在硅片上。最后通過光學顯微鏡和原子力顯微鏡挑選出單層石墨烯薄片。利用該方法可以獲得高質量的石墨烯,但缺點是所獲得石墨烯尺寸太小,僅幾十或者上百微米。且制備過程不易控制,產率低,不適合大規模的生產和應用。

同年美國佐治亞理工學院W.A. de Heer等人通過加熱單晶6H-SiC脫除Si,在單晶SiC(0001)面上外延生長石墨烯。具體過程是:將經氧氣或氫氣刻蝕處理得到的SiC在高真空下通過電子轟擊加熱,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至1250~1450℃后保持1分鐘到20分鐘,以形成極薄的石墨層。相比微機械剝離法,外延生長法可以實現較大尺寸,高質量石墨烯制備,是一種對實現石墨烯器件的實際應用非常重要的制備方法,然而石墨烯的厚度由加熱溫度決定,大面積制備單一厚度的樣品比較困難,且SiC過于昂貴,得到的石墨烯難以轉移到其它襯底上。

然而,不管機械剝離法還是外延生長法都不適合大規模的工業應用。2006年,Ruoff課題組提出制備石墨烯基化合物“氧化石墨烯” 的化學方法,又稱為氧化還原法,其核心是通過剝離氧化石墨形成單層氧化石墨烯。氧化石墨是石墨在H2SO4、HNO3、HClO4等強氧化劑的作用下,或電化學過氧化作用下,經水解后形成的。進一步,氧化石墨在外力(如超聲波)的作用下,在水中或其它極性溶劑中可以發生剝離,形成單層氧化石墨烯。制得氧化石墨烯后,再通過化學還原使所制氧化石墨烯脫氧重新石墨化,在保持其幾何形貌的同時可恢復其部分導電性。雖然在氧化還原過程中只是部分還原其導電性(破壞了石墨烯本身的高電子遷移率),但是氧化石墨烯具有相當高的粉末比表面積(>700m2/g),且過程相對簡單。

化學氣相沉積法(CVD)為實現結構規整、厚度和尺寸可控的高質量石墨烯的大規模、可重復材料制備提供了一條有效的途徑。該方法主要以過渡金屬為襯底,通過高溫分解含碳化合物(如甲烷、乙烯等),在金屬表面形成石墨烯薄膜,最后用化學腐蝕法去除金屬襯底即可分離出石墨烯。該法已經成功地用在Ru 、Ir、Pt、Ni等金屬襯底表面。2009年,Ruoff研究組則率先在Cu箔基底表面上采用類似的反應條件成功地制備了大面積、高質量的石墨烯,且獲得的石墨烯主要為單層結構。目前銅箔是最為常用的生長單層石墨烯薄膜的襯底材料之一。

CVD生長是目前最廣泛應用的制備大面積石墨烯的方法。該法獲得的石墨烯缺陷密度較高,單晶晶粒尺寸偏小(百納米至數微米),直接影響了石墨烯的電子遷移率。同時,石墨烯的電子結構與層厚及層間對稱性密切相關。因而在實現了納米石墨烯、微米石墨烯直到厘米石墨烯的有效制備之后,如何提高CVD石墨烯晶體質量或者說制備大面積單晶石墨烯,以及實現可控層數的多層石墨烯已經成為研究的難題和熱點。

上一篇:乳化泵
下一篇:膠體磨
相關產品
上海时时最快开奖结果记录 全天时时彩最准计划软件手机版 3d和值的最好方法 pk10最牛稳赚模式6码2期必中 21点怎么玩 足球比分直播500 北京pk10定位胆选 快三怎么玩才能稳赚 一分快三彩票计划网站 藏分出款有用吗 pk10免费永久计划 飞艇计划6码技巧 澳门二十一点玩法规则 北京pk10走势 北京pk赛车稳赚技巧新手 江苏快三大小怎么算