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【转载】新材料---石墨烯  

2013-03-22 15:34:40|  分类: 科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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石墨烯的发现  2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim)等制备出了石墨烯。海姆
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和他的同事偶然中发现了一种简单易行的新途径。他们强行将石墨分离成较小的碎片,从碎片中剥离出较薄的石墨薄片,然后用普通的塑料胶带粘住薄片的两侧,撕开胶带,薄片也随之一分为二。不断重复这一过程,就可以得到越来越薄的石墨薄片,而其中部分样品仅由一层原子构成——他们制得了石墨烯。
  据Geim说,还有一个哥伦比亚教授也在同时研究石墨烯,他们是用“高科技”一点的方法——用AFM显微镜的原子钢针甩一下石墨表面1-3个原子厚的地方,希望能带下一些石墨烯,可惜计划失败,胶带法赢了AFM法~~
  斯德哥尔摩2010年10月5日电 瑞典皇家科学院5日宣布,将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·K·海姆和康斯坦丁·沃肖洛夫,以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。


石墨烯结构
  石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固坚硬;作为单质,它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊,必须用相对论量子物理学(relativistic quantum physics)才能描绘。
  石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定。
  这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞, 石墨烯中电子受到的干扰也非常小。



石墨烯特性
  石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electric charge carrier),的性
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质和相对论性的中微子非常相似。
  为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质,我们先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些了解。
  经典物理学中,一个能量较低的电子遇到势垒的时候,如果能量不足以让它爬升到势垒的顶端,那它就只能待在这一侧;在量子力学中,电子在某种程度上是可以看作是分布在空间各处的波。当它遇到势垒的时候,有可能以某种方式穿透过去,这种可能性是零到一之间的一个数;而当石墨烯中电子波以极快的速度运动到势垒前时,就需要用量子电动力学来解释。量子电动力学作出了一个更加令人吃惊的预言:电子波能百分百地出现在势垒的另一侧。
  以下实验证实了量子电动力学的预言:事先在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压(相当于一个势垒),然后测定石墨烯的电导率。一般认为,增加了额外的势垒,电阻也会随之增加,但事实并非如此,因为所有的粒子都发生了量子隧道效应,通过率达100%。这也解释了石墨烯的超强导电性:相对论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。
  另外,研究也发现,尽管只有单层原子厚度,但石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近发现,铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体,竟然比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。这种物质为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门,让科学家梦寐以求的2.3万英里长(约合37000千米)太空电梯可能成为现实。
  石墨烯可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域,同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。
  师生凭石墨烯研究 同获诺贝尔奖他们曾是师生,现在是同事,他们都出生于俄罗斯,都曾在那里学习,也曾一同在荷兰学习和研究,最后他们又一起在英国制备出了石墨烯。这种神奇材料的诞生使安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。 海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯。这是目前世界上最薄的材料,仅有一个碳原子厚。与所有其他已知材料不同的是,石墨烯高度稳定,即使被切成1纳米宽的元件,导电性也很好。此外,石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体,石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。 海姆和诺沃肖洛夫认为,石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能,因此石墨烯可能最终会替代硅。 由于成果要经得起时间考验,许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几十年后才颁发。而石墨烯材料的制备成功距今才6年时间,就获得了诺贝尔奖,这使诺沃肖洛夫感到意外。他说:“今天早上听说这个消息时,我非常惊喜,第一个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。”而海姆则表示,“我从没想过获诺贝尔奖,昨天晚上睡得很踏实”。 海姆认为,获得诺贝尔奖的有两种人:一种是获奖后就停止了研究,至此终老一生再无成果;一种是生怕别人认为他是偶然获奖的,因此在工作上倍加努力。“我愿意成为第二种人,当然我会像平常一样走进办公室,继续努力工作,继续平常生活。”
比钻石还要坚硬
  硅片上有数千个肉眼看不见的小孔。科学家开始采取高科技手段,将硅片放置在电子显微镜下进行观察,科学家花费数天时间,希望能在硅片小孔上发现合适的单原子厚的石墨烯薄片。
  一旦科学家发现了一些只有100分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后,他们就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺,从而测试它们的强度。让科学家震惊的是,石墨烯比钻石还强硬,它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍!
  美国机械工程师杰弗雷·基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度:如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上,然后试图用一支铅笔戳穿它,那么需要一头大象站在铅笔上,才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。
可做“太空电梯”缆线
  据科学家称,地球上很容易找到石墨原料,而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质,它将拥有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣,甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员称,“太空电梯”的最大障碍之一,就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线,美国科学家证实,地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线!
  人类通过“太空电梯”进入太空,所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料,美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。
代替硅生产超级计算机
  不过据科学家称,尽管石墨烯在大自然中非常普遍,并且石墨烯是人类已知强度最高的物质,但科学家可能仍然需要花费数年甚至几十年时间,才能找到一种将石墨转变成大片高质量石墨烯“薄膜”的方法,从而可以用它们来为人类制造各种有用的物质。
  据科学家称,石墨烯除了异常牢固外,还具有一系列独一无二的特性,石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料,这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品,能用来生产未来的超级计算机。
  这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣,甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。


石墨烯的制备方法
  
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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、取向附生法和加热SiC的方法 ; 化学方法是化学分散法。
微机械分离法
  最普通的是微机械分离法,直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯,并可以在外界环境下稳定存在。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦,体相石墨的表面会产生絮片状的晶体,在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。
  但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片,其尺寸不易控制,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—晶膜生长
  取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯,首先让碳原子在 1 1 5 0 ℃下渗入钌,然后冷却,冷却到850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面,镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面,最终它们可长成完整的一层石 墨烯。第一层覆盖 8 0 %后,第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用,而第二层后就几乎与钌完全分离,只剩下弱电耦合,得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。
  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。另外Peter W.Sutter 等使用的基质是稀有金属钌。
加热 SiC法
  该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si,在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。具体过程是:将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热,除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后,将样品加热使之温度升高至1250~1450℃后恒温1min~20min,从而形成极薄的石墨层,经过几年的探索,Berger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。
  其厚度由加热温度决定,制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
  一条以商品化碳化硅颗粒为原料,通过高温裂解规模制备高品质无支持(Free standing)石墨烯材料的新途径。通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制,可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。这是一种非常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法。
化学分散法
  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1 0 0℃回流2 4 h ,产生黑色颗粒状沉淀,过滤、烘干即得石墨烯。Sasha Stankovich 等利用化学分散法制得厚度为1 nm左右的石墨烯.


石墨烯—改变世界的新材料
  我们每个人都有使用铅笔的经历,但几乎没有人意识到当我们用铅笔在纸上留下字迹的同时也不知不觉地制造出了很有可能在不久的将来改变人类生活的新材料。这种目前在科学界最热门的材料就是石墨烯。顾名思义,石墨烯与石墨有紧密的联系。我们知道,石墨是一类层状的材料,它是由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于层间的作用力较弱,因此石墨层间很容易互相剥离,形成薄的石墨片,这也正是铅笔能在纸上留下痕迹的原因。这样的剥离存在一个最小的极限,那就是单层的剥离,即形成厚度只有一个碳原子的单层石墨,这就是石墨烯。但长久以来,科学家们从理论上一直认为这种纯粹的二维晶体材料是无法稳定存在的,一些试图制备石墨烯的工作也均以失败而告终。直到2004年,英国曼彻斯特大学的A. Geim教授及其合作人员凭借极大的耐心与一点点运气终于如大海捞针般首次发现了石墨烯。他们采取的手段与铅笔写字有异曲同工之妙,即通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐减小,最终通过显微镜在大量的薄片中寻找到了理论厚度只有0.34纳米(约为头发直径的二十万分之一)的石墨烯。这一发现在科学界引起了巨大的轰动,不仅是因为它打破了二维晶体无法真实存在的理论预言,更为重要的是石墨烯的出现带来了众多出乎人们意料的新奇特性,使它成为继富勒烯和碳纳米管后又一个里程碑式的新材料。而Geim教授也凭借这一发现获得了2008年诺贝尔物理学奖的提名。
  石墨烯这一目前世界上最薄的物质首先让凝聚态物理学家们惊喜不已。由于碳原子间的作用力很强,因此即使经过多次的剥离,石墨烯的晶体结构依然相当完整,这就保证了电子能在石墨烯平面上畅通无阻的迁移,其迁移速率为传统半导体硅材料的数十至上百倍。这一优势使得石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。目前科学家们已经研制出了石墨烯晶体管的原型,并且乐观地预计不久就会出现全由石墨烯构成的全碳电路并广泛应用于人们的日常生活中。此外,二维石墨烯材料中的电子行为与三维材料截然不同,无法用传统的量子力学加以解释,而必须运用更为复杂的相对论量子力学来阐释。因此石墨烯为相对论量子力学的研究提供了很好的平台,而在这之前科学家们只能在高能宇宙射线或高能加速器中对该理论进行验证,如今终于可以在普通环境下轻松开展研究了。
  石墨烯还具有超高的强度,碳原子间的强大作用力使其成为目前已知的力学强度最高的材料,并有可能作为添加剂广泛应用于新型高强度复合材料之中。石墨烯良好的导电性及其对光的高透过性又让它在透明导电薄膜的应用中独具优势,而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。另外,石墨烯在高灵敏度传感器和高性能储能器件方面也已经展示出诱人的应用前景。可以说,石墨烯的出现不仅给科学家们提供了一个充满魅力与无限可能的研究对象,更让我们对其充满了期待,也许在不久的将来,石墨烯就会为我们搭建起更加便捷与美好的生活。





中科院制备成功——国内首片“15英寸单层石墨烯显示屏” - 金雕 - 金雕擒龙

1月24日,中科院重庆绿色智能技术研究院的一名研究人员在弯曲的单层石墨烯触摸屏上进行书写功能测试

你想用屏幕可弯曲折叠的手机吗?采用石墨烯材料,就可能变成现实。日前,中科院重庆绿色智能技术研究院成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯,或将为手机、电脑等电子产品带来一场革命。

“梦幻材料”

石墨烯被称为新一代的“梦幻材料”。人们发现,石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性,它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。

据中科院重庆研究院微纳制造与系统集成研究中心副主任史浩飞介绍,石墨烯只有0.34纳米厚。粗略估计,一根头发丝的直径大概等于十万层石墨烯叠加起来的厚度,所以用肉眼是看不见石墨烯的。

石墨烯自身只吸收约2.3%的光,能够做到几乎完全透光,让触摸屏亮度更好。而且,石墨烯具备很好的柔性,它在一定程度上可以弯曲折叠,不会对屏幕造成损害。如果手机、平板电脑上的其他部件和材料也得到相应改进,也许未来5-10年,手机、电脑的显示屏就可以真正实现可折叠。

中科院制备成功——国内首片“15英寸单层石墨烯显示屏” - 金雕 - 金雕擒龙

除了在触摸屏领域,石墨烯还有更大的应用潜力。

科学家发现,石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料,这种特性尤其适合于高频电路。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品,能用来生产未来的超级计算机。

石墨烯还是做柔软的透明电极、超快光电感应设备的绝佳原材料,可以应用于制造太阳能电池板等。美国加州大学利用石墨烯研制成光学调制解调器,有望将网速提高1万倍;美国NANOTEK仪器公司开发出新的储能设备,可以将充电时间由数小时减为1分钟,有望解决电动汽车的电池充电问题。

(责任编辑:悟通)

中科院制备成功——国内首片“15英寸单层石墨烯显示屏” - 金雕 - 金雕擒龙

石墨烯是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。很长时间以来,石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

让人印象深刻之处在于,他们成功分离出石墨烯的工具,竟然是胶带纸。海姆和团队成员将石墨片放置在塑料胶带中,折叠胶带粘住石墨薄片的两侧,撕开胶带,薄片也随之一分为二。不断重复这一过程,就可以得到越来越薄的石墨薄片,而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。

不过,如何解决大面积、高质量石墨烯制备和快速高效转移两大关键问题,一直困扰着很多研究者。中科院重研院微纳制造与系统集成研究中心副主任史浩飞说,在金属表面上催化生长石墨烯,再把它转移到适合的基底上,好比在一个足球场上铺一层薄薄的保鲜膜,要让它平平整整且完好无损,难度特别大。

中科院制备成功——国内首片“15英寸单层石墨烯显示屏” - 金雕 - 金雕擒龙
中科院重庆绿色智能技术研究院的一名研究人员在利用显微镜对单层石墨烯制成的触摸屏产品进行进一步数据分析

争取一年内量产

目前,中科院重庆研究院已经在铜箔衬底上生长出15英寸的均匀单层石墨烯,并成功将其完整地转移到柔性PET衬底上和其他基底表面,并且通过进一步应用,还制备出了7英寸的石墨烯触摸屏。

据介绍,中科院重研院正在与广东风投机构商谈,力争让石墨烯在一年内实现量产。届时,其年生产能力预计将达到上百万片。

中科院制备成功——国内首片“15英寸单层石墨烯显示屏” - 金雕 - 金雕擒龙

(责任编辑:悟通)


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