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石墨烯

石墨烯Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道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[1]

石墨烯从前被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在[1],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”,共同获得2010年诺贝尔物理学奖[2]

石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料[3],它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光[4];导热系数高达5,300 W/m·K,高于纳米碳管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15,000 cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体(monocrystalline silicon)高,而电阻率只约10-6 Ω·cm,比铜或银更低,为目前世上电阻率最小的材料[5][1]。由于它的电阻率极低,电子的移动速度极快,因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控萤幕、光板,甚至是太阳能电池。

石墨烯另一个特性,是能够在常温下观察到量子霍尔效应[6]

简介

在最近一次评论中给出的石墨烯定义是:

石墨烯是一种平面单层紧密打包成一个二维(2D)蜂窝晶格的碳原子,并且是所有其他维度的石墨材料的基本构建模块。它可以被包装成零维(0D)的富勒烯,卷成了一维(1D)的纳米管或堆叠成三维(3D)的石墨。[7]

石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层相同,是碳原子以sp2杂化轨道呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子网格。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨)+-ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。

石墨烯的结构非常稳定,碳碳键仅为1.42Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧,当施加外力于石墨烯时,碳原子面会弯曲变形,使得碳原子不必重新排列来适应外力,从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外,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,石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。

石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元:石墨,木炭,碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的,它只包括六边形(等角六边形);如果有五边形和七边形存在,则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。

石墨烯卷成圆桶形碳纳米管

石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管[8];另外石墨烯还被做成弹道晶体管(ballistic transistor)并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月,佐治亚理工学院研究员宣布,他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管,并观测到了量子干涉效应,并基于此结果,研究出以石墨烯为基材的电路. [9]

石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种,质料非常牢固坚硬,在室温状况,传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊,必须用量子场论才能描绘。

发现历史

一块石墨,一个石墨烯晶体管和一个胶带。于2010年在斯德哥尔摩市被安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫捐赠给诺贝尔博物馆。

安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2010年获得诺贝尔奖

在本质上,石墨烯是分离出来的单原子层平面石墨。按照这说法,自从20世纪初,X射线晶体学的创立以来,科学家就已经开始接触到石墨烯了。1918年,V. Kohlschütter和P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质(graphite oxide paper[10]。1948年,G. Ruess和F. Vogt发表了最早用透射电子显微镜拍摄的少层石墨烯(层数在3层至10层之间的石墨烯)图像[11]

关于石墨烯的制造与发现,最初,科学家试着使用化学剥离法(chemical exfoliation method)来制造石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨,得到石墨层间化合物。在其三维结构中,每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过化学反应处理,除去嵌入的大原子或大分子后,会得到一堆石墨烯烂泥。由于难以分析与控制这堆烂泥的物理性质,科学家并没有继续这方面研究。还有一些科学家采用化学气相沉积法,将石墨烯薄膜外延成长(epitaxial growth)于各种各样衬底(substrate),但初期品质并不优良[7]

于2004年,曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子工艺研究所(Institute for Microelectronics Technology)的两组物理团队共同合作,首先分离出单独石墨烯平面[12]。海姆和团队成员偶然地发现了一种简单易行的制备石墨烯的新方法。他们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。当然,仅仅是制备是不够的。通常,石墨烯会隐藏于一大堆石墨残渣,很难得会如理想一般地紧贴在衬底上;所以要找到实验数量的石墨烯,犹如东海捞鍼。甚至在范围小到1 cm2的区域内,使用那时代的尖端科技,都无法找到。海姆的秘诀是,如果将石墨烯放置在镀有在一定厚度的氧化硅的硅片上。利用光波的干涉效应,就可以有效地使用光学显微镜找到这些石墨烯。这是一个非常精准的实验;例如,假若氧化硅的厚度相差超过5%,不是正确数值300nm,而是315nm,就无法观测到单层石墨烯。[7]

近期,学者研究在各种不同材料基底上面的石墨烯的可见度和对比度,同时也提供一种简单易行可见度增强方法[13]。另外,使用拉曼显微学(Raman microscopy)的技术做初步辨认,也可以增加筛选效率[14]

于2005年,同样曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子是无质量迪拉克费米子。类似这样的发现引起一股研究石墨烯的热潮。从那时起,上百位才学兼优的研究者踏进这崭新领域。

现在,众所皆知,每当石墨被刮磨时,像用铅笔画线时,就会有微小石墨烯碎片被制成,同时也会产生一大堆残渣[12]。在2004/05年以前,没有人注意到这些残渣碎片有什么用处,因此,石墨烯的发现应该归功于海姆团队[15],他们为固体物理学发掘了一颗闪亮的新星。

在工业界,其实早在2002年10月,全球首篇关于石墨烯的专利就已经被美国华裔科学家张博增博士申报了,专利内容提到了石墨烯组成、生产工艺及应用技术。在这篇专利申报文章中,清楚地阐述了单原子层及多层石墨烯的制备过程。一般认为这是全球最早的关于单层石墨烯、石墨烯增强金属基、树脂基、碳基及陶瓷基复合材料的专利。[16]

制备方法

2008年,由机械剥离法制备得到的石墨烯乃世界最贵的材料之一,人发截面尺寸的微小样品需要花费$1,000[12]。渐渐地,随着制备程序的规模化,成本降低很多。现在,公司能够以吨为单位买卖石墨烯[17]。换另一方面,生长于碳化硅表面上的石墨烯晶膜的价钱主要决定于衬底成本,在2009年大约为$100/cm2。使用化学气相沉积法,将碳原子沉积于镍金属衬底,形成石墨烯,浸蚀去镍金属后,转换沉积至其它种衬底。这样,可以更便宜地制备出尺寸达30英寸宽的石墨烯薄膜。[18][19]

撕胶带法/轻微摩擦法

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,海姆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。 2016年, 中国科学家张锦英等发明了一种简单高效的绿色剥离技术, 通过 “球-微球”间柔和的滚动转移工艺实现了少层石墨烯(层数3.8±1.9)的规模化制备。[20]

碳化硅表面外延生长

该法是通过加热单晶碳化硅脱除硅,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,除脱氧化物。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,克莱尔·伯格(Claire Berger)等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯[21]。在C-terminated表面比较容易得到高达100层的多层石墨烯。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。

金属表面生长

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1150℃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相互作用,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。另外彼得·瑟特(Peter Sutter)等使用的基质是稀有金属钌[22]

氧化减薄石墨片法

原理为使用强氧化剂,于石墨的层状结构中间进行插层氧化,使层与层之间存在带负电的氧化官能团,克服石墨层间的范德华力,并通过水分子的插层,大幅增加层间距离,使氧化石墨烯的剥离更容易。氧化石墨烯则可进一步通过使用还原剂,制备出石墨烯[23]

对石墨进行插层氧化的技术早于19世纪经已存在。其先驱者包括Brodie[24]、Staudenmaier[25]和Hummers[26]。2007年,由Stankovich率先将Hummers氧化法投入剥离技术,生成接近2nm厚度、具稳定性的石墨片[27]

石墨烯也可以通过加热氧化的办法一层一层的减薄石墨片,从而得到单、双层石墨烯 [28]

肼还原法

将氧化石墨纸置入纯肼(Hydrazine, N2H4)溶液(一种氢原子与氮原子的化合物),这溶液会使氧化石墨烯纸还原为单层石墨烯[29]

乙氧钠裂解

一份于2008年发表的论文,描述了一种程序,能够制造达到克数量的石墨烯。首先用钠金属还原乙醇,然后将得到的乙醇盐(ethoxide)产物裂解,经过水冲洗除去钠盐,得到黏在一起的石墨烯,再用温和声波振动(sonication)振散,即可制成克数量的纯石墨烯[30]

切割碳纳米管法

切割碳纳米管也是制造石墨烯带的正在试验中的方法。其中一种方法用过锰酸钾和硫酸切开在溶液中的多层壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes[31]。另外一种方法使用等离子体刻蚀(plasma etching)一部分嵌入于聚集物的纳米管[32]

石墨的声波处理法

这方法包含分散在合适的液体介质中的石墨,然后被超声波处理。通过离心分离,非膨胀石墨最终从石墨烯中被分离。这种方法是由Hernandez等人首次提出[33],他得到的石墨烯浓度达到了0.01 mg/ml在N-甲基吡咯烷酮(N-methylpyrrolidone, NMP)。然后,该方法主要是被多个研究小组改善。特别是,它得到了在意大利的阿尔贝托·马里亚尼(Alberto Mariani)小组的极大改善。马里亚尼等人达到在NMP中的浓度为2.1mg/ml(在该溶剂中是最高的)[34]。同一小组发表的最高的石墨烯的浓度是在已报告的迄今在任何液体中的和通过任意的方法得到的。一个例子是使用合适的离子化液体作为分散介质用于石墨剥离[35];在此培养基中获得了非常高的浓度为5.33mg/ml。

重要性质

石墨烯的能带结构。

在发现石墨烯以前,绝大多数物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在[7]。所以,它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观皱纹[36]

石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔效应。其霍尔电导=2e²/h,6e²/h,10e²/h….为量子电导的奇数倍,且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学,没有静质量”。

2007年,先后三篇文章声称在石墨烯的p-n或p-n-p结构中观察到了分数量子霍尔效应行为。物理理论家已经解释了这一现象[37][38][39]。2009年,美国两个实验小组分别在石墨烯中观测到了填充数为1/3的分数量子霍尔效应[40] [41]。日前,海姆教授对于石墨烯研究进展和未来展望撰写了文章[7][42]

原子结构

悬挂于金属网栅上方,隔离的单层石墨烯平片,可以用穿透式电子显微镜观测[36]。显示出的石墨烯平片皱纹,其波幅大约为一纳米。这些皱纹可能是内禀的,因为二维晶体不稳定性而产生的现象[7];也可能是外来的,源自于所有穿透式电子显微镜图像里,都可以观察得到的无所不在的污尘。隔离的单层石墨烯贴附在氧化硅衬底上方,其原子分辨率的真实空间图像,可以用扫描隧道显微镜观测得到。经过光刻术处理后的石墨烯会被光阻剂渣滓覆盖,必须清洗除去这些渣滓,才能得到原子分辨率图像。这些渣滓可能是穿透式电子显微镜所观测到的吸附物,可能是造成皱纹的因素。贴附在氧化硅表面上的石墨烯所显示出的皱纹,是因为石墨烯会遵照氧化硅表面的样式,所以不是内禀效应[43]

电子性质

石墨烯的性质与大多数常见的三维物质不同,纯石墨烯是一种半金属或零能隙半导体。

理解石墨烯的电子结构是研究其能带结构的起始点。参阅前面能带结构图,科学家很早就察觉,对于低能量电子,在二维的六角形布里渊区的六个转角附近,能量-动量关系是线性关系[44]

{\displaystyle E=\hbar v_{F}k=\hbar v_{F}{\sqrt {k_{x}^{2}+k_{y}^{2}}}\,\!};

其中,{\displaystyle E\,\!}是能量,{\displaystyle \hbar \,\!}是约化普朗克常数,{\displaystyle v_{F}\approx 10^{6}\,\!}是费米速度,{\displaystyle k_{x}\,\!}{\displaystyle k_{y}\,\!}分别为波矢的x-轴分量与y-轴分量。

这引至电子和空穴的有效质量都等于零[45][46]。因为这线性色散关系,电子和空穴在这六点附近的物理行为,好似由狄拉克方程描述的相对论性自旋1/2粒子[47][44]。所以,石墨烯的电子和空穴都被称为狄拉克费米子,布里渊区的六个转角被称为“狄拉克点”,又称为“中性点”。在这位置,能量等于零,载流子从空穴变为电子,从电子变为空穴[47]

石墨烯纳米带的电子性质

虽然二维方向延展的石墨烯是零能隙半导体,但如果按照特定样式切割,形成石墨烯纳米带后,晶格在某些方向不再是周期性的,电子受到丛缚,其表现出金属性还是半导体性取决于其构型。

锯齿型(Zig-zag型)石墨烯永远是金属性的。而扶手椅形(armchair型)石墨烯的能带可能是半导体也可能是金属,取决于纳米带的宽度。

电子传输

电子传输测量结果显示,在室温状况,石墨烯具有惊人的高电子迁移率,其数值超过15,000 cm2V−1s−1[7]。从测量得到的电导数据的对称性显示,空穴和电子的迁移率应该相等[46]。在10 K和100 K之间,迁移率与温度几乎无关[48][49][50],可能是受限于石墨烯内部的缺陷所引发的散射。在室温和载流子密度为1012 cm−2时,石墨烯的声子散射体造成的散射,将迁移率上限约束为200,000 cm2V−1s−1[50]。与这数值对应的电阻率为10−8 Ω·m,稍小于银的电阻率1.59 ×10−8 Ω·m[5]。在室温,电阻率最低的物质是银。所以,石墨烯是很优良的导体。对于紧贴在氧化硅衬底上面的石墨烯而言,与石墨烯自己的声子所造成的散射相比,氧化硅的声子所造成的散射效应比较大,这约束迁移率上限为40,000 cm2 V−1s−1[50]

虽然在狄拉克点附近,载流子密度为零,石墨烯展示出最小电导率的存在,大约为{\displaystyle 4e^{2}/h\,\!}数量级。造成最小电导率的原因仍旧不清楚。但是,石墨烯片的皱纹或在SiO2衬底内部的离子化杂质,可能会引使局域载流子群落,因而容许电传导[46]。有些理论建议最小电导率应该为{\displaystyle 4e^{2}/\pi h\,\!}。但是,大多数实验测量结果为{\displaystyle 4e^{2}/h\,\!}数量级[7],而且与杂质浓度有关[51]

在石墨烯内嵌入化学掺杂物可能会对载流子迁移率产生影响,做实验可以侦测出影响程度。有一组实验者将各种各样的气体分子(有些是施主有些是受主)掺入石墨烯,他们发觉,甚至当化学掺杂物浓度超过1012 cm−2时,载流子迁移率并没有任何改变。[52]另一组实验者将钾掺入处于超高真空(ultra high vacuum)、低温的石墨烯,他们发现钾离子的物理行为与理论相符合,迁移率会降低20倍。假若,将石墨烯加热,除去钾掺杂物,则迁移率降低效应是可逆的[53]

由于石墨烯的二维性质,科学家认为电荷分数化(低维物质的单独准粒子的表观电荷小于单位量子)会发生于石墨烯。因此,石墨烯可能是制造量子计算机所需要的任意子元件的合适材料[54][55]

目前在扭双层石墨烯能观察到极低温超导性质。[56]2018年3月仅21岁的中国物理学生曹原在《自然》期刊上以第一作者发表两篇论文[57],内容是试验发现两层石墨烯以1.1度的偏转夹角叠起来时实现了1.7K温度下的超导,此种超导方式虽然离高温超导甚远,但重大价值在于向揭开超导原理的成因迈出一大步,一种绝缘体或不良导体透过参杂与变换突然变成超导体,是众多当前热门铜氧系超导材料的特性,所以石墨这种本质上如此常见的物质仅仅是薄化成了石墨烯再用特定方式堆叠就出现超导特性,大大减少了推理解决超导之谜的参数复杂度,[58]此发现的重大线索特性让自然杂志在论文刊出3天后撰写了一篇编辑评论《惊人的石墨稀发现与解开超导秘密》[59],认为这种思维路径很可能指引一条道路最终解开超导之谜,从而能用推演设计法制造出一种地球环境的常温超导体。罗伯特·劳夫林(1998年诺贝尔物理奖得主)发表文章认为这给出了“一个令人目眩的暗示”[60]也许超导体成因没有想像中复杂,终有一天能轻易用一套物理计算法算出怎样的物质在怎样情境下能超导,那时瞬间就能推理设计出常温超导体,大幅改变科技进程。

光学性质

根据理论推导,悬浮中的石墨烯会吸收{\displaystyle \pi \alpha \approx 2.3\%\,\!}的白光;其中{\displaystyle \alpha \,\!}是精细结构常数。一个单原子层物质不应该有这么高的不透明度(opacity),单层石墨烯的独特电子性质造成了这令人惊异的高不透明度。更令人诧异的是,这不透明度只与精细结构常数{\displaystyle \alpha \,\!}有关,而精细结构常数通常只出现于量子电动力学,很少会在材料科学领域找到它。由于单层石墨烯不寻常的低能量电子结构,在狄拉克点,电子和空穴的圆锥形能带(conical band)会相遇,因而产生高不透明度结果[61]。实验证实这结果正确无误,石墨烯的不透明度为 {\displaystyle 2.3\pm 0.1\%\,\!},与光波波长无关。但是,由于准确度不够高,这方法不能用来决定精细结构常数的度量衡标准[62]

近来,有实验示范,在室温,通过施加电压于一个双栅极双层石墨烯场效晶体管,石墨烯的能隙可以从0 eV调整至0.25 eV(大约5微米波长)[63]。通过施加外磁场,石墨烯纳米带的光学响应也可以调整至太赫兹频域[64]

饱和吸收

当输入的光波强度超过阈值时,这独特的吸收性质会开始变得饱和。这种非线性光学行为称为可饱和吸收saturable absorption),阈值称为饱和流畅性saturable fluency)。给予强烈的可见光或近红外线激发,因为石墨烯的整体光波吸收和零能隙性质,石墨烯很容易就可以变得饱和。石墨烯可以用于光纤激光器(fiber laser)的锁模(mode locking)运作。用石墨烯制备成的可饱和吸收器能够达成全频带锁模。由于这特殊性质,在超快光子学里,石墨烯有很广泛的应用空间[65][66]

非线性克尔效应

在更密集的激光照射下,除了众所周知的可饱和吸收效应之外,石墨烯也可以具备由于光学非线性克尔效应的非线性相移。

自旋传输

科学家认为石墨烯会是理想的自旋电子学材料,因为其自旋-轨道作用很小,而且碳元素几乎没有核磁矩(nuclear magnetic moment)。使用非局域磁阻效应,可以测量出,在室温状况,自旋注入于石墨烯薄膜的可靠性很高,并且观测到自旋相干长度超过1微米[67]。使用电闸,可以控制自旋电流的极性[68]

反常量子霍尔效应

量子霍尔效应只发生于二维导体。这效应促成了一种新度量衡标准,称为电阻率量子(resistivity quantum{\displaystyle h/e^{2}\,\!};其中,{\displaystyle e\,\!}是单位电量,{\displaystyle h\,\!}是普朗克常数。垂直于外磁场的载流导线,其横向电导率会呈现量子化值。称这横向电导率为霍尔电导率(Hall conductivity),以方程表示为

{\displaystyle \sigma _{xy}=Ne^{2}/h\,\!}

其中,{\displaystyle N\,\!}是整数。

{\displaystyle N\,\!}称为兰道能级指标(Landau level index),通常这霍尔电导率现象只能在非常低温(3K),非常高磁场,从非常干净的Si或GaAs固体观测出来,

处于外磁场中时,石墨烯的电导率会展现出反常量子霍尔效应{\displaystyle \sigma _{xy}=4(N+1/2)e^{2}/h\,\!},其阶梯序列与原本的阶梯序列相差{\displaystyle 1/2\,\!},还添增了由双重峡谷和双重自旋简并产生的乘法因子{\displaystyle 4\,\!}。这值得注意的异常现象,在室温就可以测量出来[48]。主要原因是,在石墨烯内部的零质量迪拉克费米子具有很高的回旋能隙{\displaystyle \hbar \omega _{c}\,\!}。这些迪拉克费米子的能级为{\displaystyle E_{N}=v_{F}{\sqrt {2e\hbar BN}}\,\!};其中,{\displaystyle v_{F}\,\!}是费米速度,{\displaystyle B\,\!}是磁场。假设磁场为{\displaystyle B=45T\,\!},费米能处于基态{\displaystyle N=0\,\!}与第一激发态{\displaystyle N=\pm 1\,\!}之间,则能隙为{\displaystyle \Delta E\approx 2800K\,\!},大约为室温热能的10倍[69]

石墨烯氧化物

通过对石墨烯进行氧化及化工处理,然后使他们漂浮在水中,石墨烯会剥落并形成有强力键的单层。这些被称为石墨烯氧化物(graphene oxide)的层状材料被测量到具有32 GPa的拉伸模数[70]

化学改性

可以在实验室中通过化学改性的石墨制备的石墨烯的可溶性片段。[71]

热性能

石墨烯的导热性能优于碳纳米管。普通碳纳米管的导热系数可达3500W/mK,[72]各种金属中导热系数相对较高的有银、铜、金、铝,而单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK。优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超大规模纳米集成电路的散热材料。

机械性能

在2009年,石墨烯是人类已知测量过的强度最高的物质。它的强度比钢铁还要高200倍,具有1 TPA​​(150,000,000 psi)时的拉伸模量(刚度)。[3]

潜在的应用

单分子气体侦测

石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。这检测目前可以分为直接检测和间接检测。通过穿透式电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程[73]。通过测量霍尔效应方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时,吸附位置会发生电阻的局域变化。当然,这种效应也会发生于别种物质,但石墨烯具有高电导率和低噪声的优良品质,能够侦测这微小的电阻变化。[52]

光能飞行器

中国南开大学2015年6月中在《自然》期刊下属的自然光学期刊发布了一则研究报告,[74]陈永胜教授其团队发现一种特殊三维构型的石墨烯块,在室温且真空无阻力下被光线照射时居然会被推进移动,其效应是巨观的而非微观,半厘米立方大小的实验体被光线照射后前进了数厘米距离,其原理还是谜,推测可能是该种构型石墨烯在受光后瞬间会产生大电子流,其非常适合用于太空领域的太阳帆,计算得知约50平方米的石墨烯帆能让5千克的酬载物在20分钟加速到第一宇宙速度。

石墨烯纳米带

为了要赋予单层石墨烯某种电性(比如制造晶体管),会按照特定样式切割石墨烯,形成石墨烯纳米带。切开的边缘形状可以分为锯齿形和扶手椅形。采用紧丛缚近似模型做出的计算,预测锯齿形具有金属键性质(如右图所示),又预测扶手椅形具有金属键性质或半导体性质;到底是哪种性质,要依宽度而定。可是,近来根据密度泛函理论计算得到的结果,显示出扶手椅形具有半导体性质,其能隙与纳米带带宽成反比(如右图所示)[75]。实验结果确实地展示出,随着纳米带带宽减小,能隙会增大[76]。但是,直至2008年2月,尚没有任何测量能隙的实验试着辨识精确边缘结构。

石墨烯纳米带的结构具有高电导率、高热导率、低噪声,这些优良品质促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择,有可能替代铜金属。有些研究者试着用石墨烯纳米带来制成量子点,他们在纳米带的某些特定位置改变宽度,形成量子禁闭(quantum confinement[77]

石墨烯纳米带的低维结构具有非常重要的光电性能:粒子数反转和宽带光增益。这些优良品质促使石墨烯纳米带放在微腔或纳米腔体中形成激光器[78]和放大器。 根据2012年10月的一份研究表明有些研究者试着用石墨烯纳米带应用于光通信系统,发展石墨烯纳米带激光器[79]

集成电路

石墨烯具备作为优秀的集成电路电子器件的理想性质。石墨烯具有高的载子迁移率(carrier mobility),以及低噪声,允许它被用作在场效应晶体管的沟道。问题是单层的石墨烯制造困难,更难作出适当的衬底。

根据2010年1月的一份报告中[80],对SiC外延生长石墨烯的数量和质量适合大规模生产的集成电路(集成电路)。在高温下,在这些样品中的量子霍尔效应可以被测量。另请参阅IBM在2010年的工作的晶体管一节中,速度快的晶体管’处理器’制造了2-英寸(51-毫米)的石墨烯薄片。

2011年6月,IBM的研究人员宣布,他们已经成功地创造第一个石墨烯为基础的集成电路(集成电路)-宽带无线混频器。[81]电路处理频率高达10 GHz,其性能在高达127℃的温度下不受影响。

石墨烯晶体管

2005年,Geim研究组与Kim研究组发现,室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10 am /V·s),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 m),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。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间,超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。在现代技术下,石墨烯纳米线可以证明一般能够取代硅作为半导体。[82]

透明导电电极

石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等,都需要良好的透明电导电极材料。特别是,石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良。由于氧化铟锡脆度较高,比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域[83][84]

通过化学气相沉积法,可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜,主要用于光伏器件的阳极,并得到高达1.71%能量转换效率;与用氧化铟锡材料制成的元件相比,大约为其能量转换效率的55.2%[85]

导热材料/热界面材料

2011年,美国佐治亚理工学院学者首先报道了垂直排列官能化多层石墨烯三维立体结构在热界面材料中的应用及其超高等效热导率和超低界面热阻。[86]

场发射源及其真空电子器件

早在2002年,垂直于基底表面的石墨烯纳米墙就被成功制备出来。[87]它被看作是非常优良场致发射电子源材料。[88] 最近关于单片石墨烯的电场致电子发射效应也见诸报道。[89]

超级电容器

由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例,石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器[90]

海水淡化

研究表明,石墨烯过滤器可能大幅度的胜过其他的海水淡化技术。[91][92]

太阳能电池

南加州大学维特比工程学院的实验室报告高度透明的石墨烯薄膜的化学气相沉积法在2008年的大规模生产。在这个过程中,研究人员创建超薄的石墨烯片,方法是在甲烷气体中的镍板上,由首先沉积的碳原子形成石墨烯薄膜的形式。然后,他们在石墨烯层之上铺一层热塑性保护层,并且在酸浴中溶解掉下面的镍。在最后的步骤中,他们把塑料保护的石墨烯附着到一个非常灵活的聚集物片材,它可以被纳入一个有机太阳能电池(石墨烯光伏电池)。石墨烯/聚集物片材已被生产,大小范围在150平方厘米,​​和可以用来生产灵活的有机太阳能电池。这可能最终有可能运行能覆盖广泛的地区的廉价太阳能电池,就像报纸印刷机的印刷报纸一样(卷到卷, (roll-to-roll))。[93][94]

2010年,李新明和朱宏伟等人首次将石墨烯与硅结合构建了一种新型的太阳能电池。在这种简易的石墨烯/硅模型中,石墨烯不仅可以作为透明导电薄膜,还可以在与硅的界面处分离光生载流子。这种可以与传统硅材料结合的结构,为推动基于石墨烯的光伏器件开辟了新的研究方向。[95]

石墨烯生物器件

由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺寸厚度、分子栅极结构等等特色,应用于细菌侦测与诊断器件,石墨烯是个很优良的选择[96]

科学家希望能够发展出一种快速与便宜的快速电子DNA定序科技。它们认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。基本而言,他们想要用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞,让DNA分子游过这纳米洞。由于DNA的四个碱基(A、C、G、T)会对于石墨烯的电导率有不同的影响,只要测量DNA分子通过时产生的微小电压差异,就可以知道到底是哪一个碱基正在游过纳米洞。这样,就可以达成目的[97]

抗菌物质

中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效,而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性,则可能找到一系列新的应用,像自动除去气味的鞋子,或保存食品新鲜的包装[98]

石墨烯感光元件

一群来自新加坡专精于石墨烯材质研究的科学家们,现在研发出将石墨烯应用于相机感光元件的最新技术,可望彻底颠覆未来的数字感光元件技术发展。

新加坡南洋理工大学学者,研发出了一个以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件,可望透过其特殊结构,让感光元件感光能力比起传统CMOS或CCD要好上1,000倍,而且损耗的能源也仅需原本的1/10。这个感度几乎提升到爆表的最新感光元件技术,根据数据,实际上还真的厉害到超出人眼可视的中红外线范围。与许多新的感光元件技术相同,这项技术初期将率先被应用在监视器与卫星影像领域之中。但研究也指出,此技术终将应用在一般的数码相机 / 摄影机之上,假若真的进入消费领域以石墨烯打造的最新感光元件,还可能制造成本压到现今的1/5低。[99]

抗癌治疗

氧化石墨烯,石墨烯的衍生化合物,被认为可以应用在癌症的治疗上。其原理是氧化石墨烯能够辨识癌细胞与正常细胞电子密度的不同,进而附着在癌干细胞上,使其能被标靶药物所作用,达到抑止肿瘤远端转移的效果。这突破性的发现,能够补足传统化学治疗和放射治疗只能杀死分化后癌细胞的缺点,预期能达成更高的治疗反应率与病患存活率。目前该团队经实验证明氧化石墨烯能够抑制6种癌症(乳腺癌、胰腺癌、脑癌、肺癌、卵巢癌、摄护腺癌)之肿瘤球(tumour sphere)形成,因而能抑止其扩散。当前氧化石墨烯尚在研究阶段,期待将来经过层层临床试验后,能够为现今抗癌治疗带来一线曙光。[100]

参看

  • 芳香性
  • 富勒烯
  • 多环芳香烃
  • 碳纳米管
  • 石墨烯纳米带
  • 硅烯

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