石墨烯相關介紹

　　一：簡介

　　石墨烯的碳原子排列與石墨的單原子層雷同，是碳原子呈蜂巢晶格排列構成的單層二維晶體。石墨烯可想像為由碳原子和其共價鍵所形成的原子尺寸網，也可稱為“單層石墨”。

　　石墨烯的結構非常穩定，石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯內部電子受到的干擾也非常小。

　　石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它是已知材料中最薄的一種，質料非常牢固堅硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導體都快。

　　2004年，英國曼徹斯特大學物理學教授Geim等，用特殊的膠帶反復剝離高定向熱解石墨的方法，得到了穩定存在的石墨烯。石墨烯的發現者Geim教授和Novoselov博士也因此被授予2010年度諾貝爾物理學獎。

　　二：重要性質

　　1.石墨烯的能帶結構

　　在發現石墨烯以前，大多數物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發現立即震撼了凝聚態物理界。雖然理論和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩定存在,但是單層石墨烯在實驗中被制備出來。這些可能歸結于石墨烯在納米級別上的微觀皺紋。

　　石墨烯還表現出了異常的整數量子霍爾效應。其霍爾電導=2e2/h,6e2/h,10e2/h.... 為量子電導的奇數倍，且可以在室溫下觀測到。這個行為已被科學家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對論量子力學，沒有靜質量”。

　　2.原子結構

　　懸掛于金屬網柵上方，隔離的單層石墨烯平片，可以用穿透式電子顯微鏡觀測，顯示出的石墨烯平片皺紋，其波幅大約為一納米。這些皺紋可能是內稟的，因為二維晶體不穩定性而產生的現象;也可能是外來的，源自于所有穿透式電子顯微鏡圖像里，都可以觀察得到的無所不在的污塵。隔離的單層石墨烯貼附在氧化硅基板上方，其原子分辨率的真實空間圖像，可以用掃描隧道顯微鏡觀測得到。經過光刻術處理后的石墨烯會被光阻劑渣滓覆蓋，必須清洗除去這些渣滓，才能得到原子分辨率圖像。這些渣滓可能是穿透式電子顯微鏡所觀測到的吸附物，可能是造成皺紋的因素。貼附在氧化硅表面上的石墨烯所顯示出的皺紋，是因為石墨烯會遵照氧化硅表面的樣式，所以不是內稟效應。

　　3.電子性質

　　石墨烯的性質與大多數常見的三維物質不同，純石墨烯是一種半金屬或零能隙半導體。理解石墨烯的電子結構是研究其能帶結構的起始點。、

　　4.電子傳輸

　　電子傳輸測量結果顯示，在室溫狀況，石墨烯具有驚人的高電子遷移率，其數值超過15,000 cm2V?1s?1。從測量得到的電導數據的對稱性顯示，空穴和電子的遷移率應該相等。在10 K和100 K之間，遷移率與溫度幾乎無關，可能是受限于石墨烯內部的缺陷所引發的散射。在室溫和載子密度為1012 cm?2時，石墨烯的聲子散射體造成的散射，將遷移率上限約束為200,000 cm2V?1s?1。與這數值對應的電阻率為10?6 Ω·cm，稍小于銀的電阻率1.59 ×10?6 Ω·cm。在室溫，電阻率最低的物質是銀。所以，石墨烯是很優良的導體。

　　由于石墨烯的二維性質，科學家認為電荷分數化(低維物質的單獨準粒子的表觀電荷小于單位量子)會發生于石墨烯。因此，石墨烯可能是制造計算機所需要的任意子元件的合適材料。

　　5.光學性質

根據理論推導，石墨烯會吸收的白光;其中

是精細結構常數。一個單原子層物質不應該有這么高的不透明度，單層石墨烯的獨特電子性質造成了這令人驚異的高不透明度。實驗證實這結果正確無誤，石墨烯的不透明度為，與光波波長無關。

　　當輸入的光波強度超過閾值時，這獨特的吸收性質會開始變得飽和。這種非線性光學行為稱為可飽和吸收，閾值稱為飽和流暢性。給予強烈的可見光或近紅外線激發，因為石墨烯的整體光波吸收和零能隙性質，石墨烯很容易就可以變得飽和。石墨烯可以用于光纖雷射的鎖模運作。用石墨烯制備成的可飽和吸收器能夠達成全頻帶鎖模。由于這特殊性質，在超快光子學里，石墨烯有很廣泛的應用空間。

　　6.自旋傳輸

　　科學家認為石墨烯會是理想的自旋電子學材料，因為其自旋-軌道作用很小，而且碳元素幾乎沒有核磁矩。使用非局域磁阻效應，可以測量出，在室溫狀況，自旋注入于石墨烯薄膜的可靠性很高，并且觀測到自旋相干長度超過1微米。使用電閘，可以控制自旋電流的極性。

　　7.機械特性

　　石墨烯是人類已知強度最高的物質，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。研究人員發現，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2.9微牛。如果物理學家們能制取出厚度相當于普通食品塑料包裝袋的(厚度約100納米)石墨烯，那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。換句話說，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。

　　三：石墨烯的應用領域

　　石墨烯優異的物理、化學和機械性能，使得石墨烯成為很多領域的寵兒。下面主要介紹石墨烯的十大應用領域。

　　1.可做“太空電梯”纜線

　　據科學家稱，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱是人類已知的強度最高的物質，它將擁有眾多令人神往的發展前景。它不僅可以開發制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、可以制造出超堅韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯”纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門。美國研究人員稱，“太空電梯”的最大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛星、長達23000英里并且足夠強韌的纜線，美國科學家證實，地球上強度最高的物質“石墨烯”完全適合用來制造太空電梯纜線!

　　太空電梯

　　人類通過“太空電梯”進入太空，所花的成本將比通過火箭升入太空便宜很多。為了激勵科學家發明出制造太空電梯纜線的堅韌材料，美國NASA此前還發出了400萬美元的懸賞。

　　2.制做光子傳感器

　　石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現在更大的市場上，這種傳感器是用于檢測光纖中攜帶的信息的，現在，這個角色還在由硅擔當，但硅的時代似乎就要結束。去年10月，IBM的一個研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器如下圖所示。

　　石墨烯光電感應設備的示意圖和實際樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。圖中的黑色短線對應5個微米，金屬線之間的距離是一個微米。

　　通過實驗，研究者們發現，這種金屬-石墨烯-金屬結構的光電感應設備最高可以達到16GHz的工作頻率，并且可以高速工作在從300納米(近紫外)到6微米(紅外)的波長范圍內，而傳統的光電感應管則不能對波長較長的紅外光響應。石墨烯光電感應設備的工作頻率還有很大的提高余地，優越的性能使得它有著廣泛的包括通訊、遙控、環境監測在內的應用前景。

　　3.制做透明導電電極

　　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。觸摸屏、液晶顯示、有機光伏電池、有機發光二極管等等，都需要良好的透明電導電極材料。特別是，石墨烯的機械強度和柔韌性都比常用材料氧化銦錫優良。由于氧化銦錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內的石墨烯薄膜可以沉積于大面積區域。

　　韓國三星公司和成均館大學的研究人員利用化學氣相沉積的方法獲得了對角長度為30英寸的石墨烯，并將其轉移到188微米厚的聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，簡稱PET)薄膜上，進而制造出了以石墨烯為基礎的觸摸屏。如下圖所示，生長在銅箔上的石墨烯先和熱剝離型膠帶(藍色透明部分)粘在一起，然后用化學的方法把銅箔溶解掉，最后用加熱的方法把石墨烯轉移到PET薄膜上去。

　　生長在銅箔上的石墨烯轉移到PET薄膜的過程示意圖

　　研究者們在石墨烯上適當的位置印上銀電極，用銀電極把材料劃分成一塊塊3.1英寸大小的區域，然后在區域內的石墨烯上放上規則排布的絕緣點陣。這樣兩片對應的組裝在一起就做成了彈性很好的觸摸屏器件。當它同電腦上的控制軟件連通時，它就能發揮觸摸屏的作用了。從上到下：在石墨烯上印好的銀電極把材料分成大小為3.1英寸的區域;組裝好的石墨烯觸摸屏面板;接到電腦上使用的石墨烯觸摸屏。

　　4.制做場效應管及其集成電路

　　石墨烯可取代硅成為下一代超高頻率晶體管的基礎材料，而廣泛應用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。

　　5.代替硅生產超級計算機

　　科學家發現，石墨烯還是目前已知導電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現代電子工業的領頭羊，一些電子設備，例如手機，由于工程師們正在設法將越來越多的信息填充在信號中，它們被要求使用越來越高的頻率，然而手機的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現，高頻提升的發展前景似乎變得無限廣闊了。 這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產未來的超級計算機。

　　6.制造超級電容器

　　由于石墨烯具有特高的表面面積對質量比例，石墨烯可以用于超級電容器的導電電極。科學家認為這種超級電容器的儲存能量密度會大于現有的電容器。

　　7.制造新一代太陽能電池

　　石墨烯透明導電膜對于包括中遠紅外線在內的所有紅外線的高透明性，是轉換效率非常高的新一代太陽能電池最理想材料。

　　8.石墨烯生物器件

　　由于石墨烯的可修改化學功能、大接觸面積、原子尺吋厚度、分子閘極結構等等特色，應用于細菌探測與診斷器件，石墨烯是個很優良的選擇。

　　科學家希望能夠發展出一種快速與便宜的快速電子DNA定序科技。它們認為石墨烯是一種具有這潛能的材料。基本而言，他們想要用石墨烯制成一個尺寸大約為DNA寬度的納米洞，讓DNA分子游過這納米洞。由于DNA的四個堿基(A、 C、 G、T)會對于石墨烯的電導率有不同的影響，只要測量DNA分子通過時產生的微小電壓差異，就可以知道到底是哪一個堿基正在游過納米洞。這樣，就可以達成目的。

　　9.可做抗菌物質

　　中國科學院上海分院的科學家發現石墨烯氧化物對于抑制大腸桿菌的生長超級有效，而且不會傷害到人體細胞。假若石墨烯氧化物對其他細菌也具有抗菌性，則可能找到一系列新的應用，像自動除去氣味的鞋子，或保存食品新鮮的包裝。