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一.石墨烯簡介

石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。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,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,而證實它可以單獨存在,兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由,共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯是由碳六元環組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點陣結構, 它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。

石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環, 是最理想的二維納米材料。理想的石墨烯結構是平面六邊形點陣,可以看作是一層被剝離的石墨分子,每個碳原子均為sp2雜化,并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵,π電子可以自由移動,賦予石墨烯良好的導電性。二維石墨烯結構可以看是形成所有sp2雜化碳質材料的基本組成單元。

二.制備方法

石墨烯出現在實驗室中是在2004年,當時,英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片,然后把薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上,撕開膠帶,就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作,于是薄片越來越薄,最后,他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片,這就是石墨烯。這以后,制備石墨烯的新方法層出不窮。

石墨烯材料的制備方法已報道的有:機械剝離法、化學氧化法、晶體外延生長法、化學氣相沉積法、有機合成法和碳納米管剝離法等。其中有三種制備方法最為普及,分別是微機械剝離法、化學氣相沉積法和氧化還原法。

1.微機械剝離法

2004年,科學家Geim等首次用微機械剝離法,成功地從高定向熱裂解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)上剝離并觀測到單層石墨烯。Geim研究組利用這一方法成功制備了準二維石墨烯并觀測到其形貌,揭示了石墨烯二維晶體結構存在的原因。微機械剝離法可以制備出高質量石墨烯,但存在產率低和成本高的不足,不滿足工業化和規模化生產要求,只能作為實驗室小規模制備。

2.化學氣相沉積法

化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition,CVD)首次在規模化制備石墨烯的問題方面有了新的突破(參考化學氣相沉積法制備高質量石墨烯)。CVD法是指反應物質在氣態條件下發生化學反應,生成固態物質沉積在加熱的固態基體表面,進而制得固體材料的工藝技術。

3.氧化還原法

氧化-還原法制備成本低廉且容易實現,成為制備石墨烯的最佳方法,而且可以制備穩定的石墨烯懸浮液,解決了石墨烯不易分散的問題。氧化-還原法是指把天然石墨與強酸和強氧化性物質反應生成氧化石墨(GO),經過超聲分散制備成氧化石墨烯(單層氧化石墨),加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團,如羧基、環氧基和羥基,得到石墨烯。

三.應用前景

石墨烯是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料 ,它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,因此透光率高于普通ITO材質;導熱系數高達5300 W/m·K,高于碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率*超過15000 cm2/V·s,又比納米碳管或硅晶體*高,而電阻率只約10-6 Ω·cm,比銅或銀更低,為世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低,電子遷移的速度極快,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。

石墨烯的應用范圍廣闊。根據石墨烯超薄,強度超大的特性,石墨烯可被廣泛應用于各領域,比如超輕防彈衣,超薄超輕型飛機材料等。根據其優異的導電性,使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。石墨烯有可能會成為硅的替代品,制造超微型晶體管,用來生產未來的超級計算機,碳元素更高的電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是一種優良的改性劑,在新能源領域如超級電容器、鋰離子電池方面,由于其高傳導性、高比表面積,可適用于作為電極材料助劑.除此之外,目前已知可實現應還有:納電子器件方面、光子傳感器、基因電子測序、減少噪音、隧穿勢壘材料和其他一些相關應用。 由此我們可以看見石墨烯這一新型材料的光明未來。

四.發展趨勢

2010年的諾貝爾物理學獎把石墨烯帶入了人們的視線。2004年英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授通過一種很簡單的方法從石墨薄片中剝離出了石墨烯,為此他們二人也榮獲2010年諾貝爾物理學獎。

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;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。通過化學氣相沉積法,可以制成大面積、連續的、透明、高電導率的少層石墨烯薄膜,主要用于光伏器件的陽極,并得到高達1.71%能量轉換效率;與用氧化銦錫材料制成的元件相比,大約為其能量轉換效率的55.2%。作為新興產業,前瞻網指出。石墨烯未來前途一片光明。

石墨烯特殊的結構形態,使其具備世界上最硬、最薄的特征,同時也具有很強的韌性、導電性和導熱性。這些及其特殊的特性使其擁有無比巨大的發展空間,未來可以應用于電子、航天、光學、儲能、生物醫藥、日常生活等大量領域。《"十二五"期間中國石墨烯行業深度市場調研與投資戰略規劃分析報告》稱石墨烯集合世界上最優質的各種材料品質于一身,故有業內人士如此評價:如果說20世紀是硅的世紀,石墨烯則開創了21世紀的新材料紀元,會給世界帶來實質性變化。


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