浅谈石墨烯

浅谈石墨烯

摘要:石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它的特殊单原子层结构

使其具有许多独特的物理化学性质。有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前热点课题之一.本文主要简单介绍了石墨烯的发现,石墨烯的一些性质,石墨烯的合成与制备的几种方法,石墨烯在生产生活及研究中的应用。

关键词:石墨烯;石墨烯性质;石墨烯合成;石墨烯应用

石墨烯是由Manchester大学的Geim小组于2004年首次用机械剥离法获得的单原子厚度的二维碳原子晶体,因其力学、量子和电学性质特殊,颇受物理和材料学界重视。它的问世充实了碳材料家族,形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。石墨烯由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成,其基本结构单元为苯六元环,其理论厚度仅为0.35 nm,是目前发现的最薄的二维材料,并被认为是富勒烯、碳纳米管(CNT)、石墨的基本结构单元?。

石墨烯的诸多性能均十分优异,如石墨烯的强度是已测试材料中最高的,达130 GPa,是钢的100多倍;质量轻,比表面积大,可高达2600 m2/g;另外,对于无机陶瓷材料,石墨烯抑制晶粒长大的作用十分明显;石墨烯导热性好,其热导率可达5x103 W·m-1。K-1,是金刚石的3倍;石墨烯电学性能非常出众,其载流子迁移率达1.5x104 cm2·V_1·S-1,是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍,超过商用硅片迁移率的lo倍,在特定条件下(如低温骤冷等),其迁移率甚至可高达2.5×105 cm2·V。-1·S-1。石墨烯有着极高的透明度,在可见光范围,石墨烯薄膜的透明度随着膜厚的增加而降低:对于2 nm厚的石墨烯薄膜,透过率超过95%,对于10 nm厚的薄膜透过率也有70%。另外石墨烯还具有室温量子霍尔效应(Hall effect)及室温铁磁性等优异性质。

石墨烯的合成方法主要有两种:机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法——晶膜生长和加热SiC的方法;化学方法是化学分散法。

微机械分离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。即用缺陷的热解石墨进行摩擦,体相石墨的表面会产生含单层石墨烯的絮片状晶体。但此法对石墨烯尺寸不易控制,无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。

取向附生法则是利用生长基质的原子结构“种”出石墨烯,但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀,且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。

加热SiC的方法是在单晶6H—SiC的Si—terminated(00001)面上通过热解脱除si来制取石墨烯,其厚度由加热温度决定。

化学分散法是将氧化石墨与水以1 mg/mL的比例混合,用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质,加入适量肼在100℃回流24 h,产生黑色颗粒状沉淀,过滤、烘干即得石墨烯。

石墨烯的应用前景也十分广阔。石墨烯有着高载流子迁移率,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(300 K下可达0.3 Ixm),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。石墨烯可能取代Si成为未来的计算机芯片。电子在石墨烯中的传导速度比硅快100倍,这将为高速计算机芯片和生化传感器带来诸多进步。与大部分半导体材料不同,石墨烯的相不随温度而改变,这将使得碳晶体管会成为最快的晶体管,超越包括锑化铟在内的所有芯片材料。由于大的表面体积比和高导电性,石墨烯另一诱人的应用是作为电池电极材料以提高电池效率。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。

石墨烯的研究和应用向世人展示了十分诱人的前景,以至国内外都投入大量人力物力财力对其进行研究,真心希望石墨烯能尽快应用到生产生活中,为人类造福。

参考文献:

(1)黄桂荣陈建,《石墨烯的合成与应用》,《炭素技术》,2009年第28卷第1期(2)胡耀娟金娟张卉吴萍蔡称心,《石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用》,《物理化学学报》,2010年8月第26期:2073-2086

(3)杨永岗陈成猛温月芳杨全红王茂章,《氧化石墨烯及其与聚合物的复合》,《新型炭材料》,2008年9月第23卷第3期

(4)江莞范宇驰刘霞王连军,《机械剥离法制备石墨烯及其在石墨烯/陶瓷复合材料制备中的应用》,《中国材料进展》,2011年1月第30卷第1期

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