石墨烯新材料

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1、摘要：口石墨烯发现以来，越来越受到科研工作者的热捧。本文介绍了石墨烯的制备、结构、性能及应用、表征和研究现状，并且对石墨烯的研究趋势提出展望。关键词：石墨烯；制备；性能；应用；发展趋势一直以来,科学家们认为，单层的石墨烯是不可稳定能存在的。人们错误的认为,将石墨烯从石墨上剥离下来的力足以破坏石墨烯的结构，而且固体的熔点随着粒子粒度的减小是要大大降低的，当减小到几个原子层厚时，固体将熔化。另外，在二维品体屮由于内能的存在，使原子的振动幅度很大，因此原子的错位将相当严重的,这将导致原子与未与它成键的原子间的距离的大小和与它成键的原子间

2、的距离的大小几乎相同,因此不能保持单层的结构。英国Manchester大学的Geim教授在理论上不可行的情况下依然进行了偿试，他从2002年开始寻找石墨烯。人们通常用胶带粘附的方法来获得石墨的单晶面,Geim教授设想把这种方法发展到极限，他很快便制得了十个分子厚度的石墨，于是他偿试着再去掉九层，并最终成功了,他的团队成功得到了单层的石墨烯，并在2004年的《Naze》上发表了关于石墨烯的研究成果山。在那篇论文中,他把石墨烯放在了硅片上，接上电极，研究了不同电位下石墨烯的带电情况，石墨烯的发现在纳米科技上是有划时代的意义的。石墨烯在

3、电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景•正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。O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(relativisticquantumphysics)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。冇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

4、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'载荷了5,（electricchargecarrier）,的性质和相对论性的中微了非常相似。为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质，我们先对

5、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

6、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%o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

7、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

8、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T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岀优点和良好性能，因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果要经得