石墨烯性能簡(jiǎn)介

《石墨烯性能簡(jiǎn)介》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫(kù)。

1、第一章石墨烯性能及相關(guān)概念1石墨烯概念石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯狹義上指單層石墨，厚度為0.335nm，僅有一層碳原子。但實(shí)際上，10層以內(nèi)的石墨結(jié)構(gòu)也可稱作石墨烯，而10層以上的則被稱為石墨薄膜。單層石墨烯是指只有一個(gè)碳原子層厚度的石墨，碳原子-碳原子之間依靠共價(jià)鍵相連接而形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。完美的石墨烯具有理想的二維晶體結(jié)構(gòu)，由六邊形晶格組成，理論比表面積高達(dá)2.6×102m2/g。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能(3×103W/(m?K))和力學(xué)性能(1.06×103GPa)。此外，石墨烯穩(wěn)定的正六邊形晶格結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的

2、導(dǎo)電性，室溫下的電子遷移率高達(dá)1.5×104cm2/(V·s)。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)、突出的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和力學(xué)性能，引起科學(xué)界巨大興趣，成為材料科學(xué)研究熱點(diǎn)。石墨烯結(jié)構(gòu)圖2石墨烯結(jié)構(gòu)石墨烯指僅有一個(gè)原子尺度厚單層石墨層片，由sp2雜化的碳原子緊密排列而成的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)。石墨烯中碳-碳鍵長(zhǎng)約為0.142nm。每個(gè)晶格內(nèi)有三個(gè)σ鍵，連接十分牢固形成了穩(wěn)定的六邊狀。垂直于晶面方向上的π鍵在石墨烯導(dǎo)電的過(guò)程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳納米管、富勒烯的基本組成單元，可以將它看做一個(gè)無(wú)限大的芳香族分子，平面多環(huán)烴的極限情況就是石墨烯。形象來(lái)說(shuō)，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，看

3、上去就像一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。在單層石墨烯中，每個(gè)碳原子通過(guò)sp2雜化與周圍碳原子成鍵給構(gòu)整流變形，每一個(gè)六邊單元實(shí)際上類似苯環(huán)，碳原子都貢獻(xiàn)出個(gè)一個(gè)未成鍵電子。單層石墨烯厚度僅0.35nm，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬(wàn)分之一。石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳原子之間連接及其柔韌。受到外力時(shí)，碳原子面會(huì)發(fā)生彎曲變形，使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，從而保證了自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。石墨烯是有限結(jié)構(gòu)，能夠以納米級(jí)條帶形式存在。納米條帶中電荷橫向移動(dòng)時(shí)會(huì)在中性點(diǎn)附近產(chǎn)生一個(gè)能量勢(shì)壘，勢(shì)壘隨條帶寬度的減小而增大。因此，通過(guò)控制石墨烯條帶的寬度便可以進(jìn)一步得到需要的勢(shì)壘。這一特性是開發(fā)以石墨烯為基礎(chǔ)的電子器件的基

4、礎(chǔ)。石墨烯能帶結(jié)構(gòu)圖3石墨烯性能石墨烯是一種超輕材料，面密度為0.77mg/m2，的主要性能是：一是具有超強(qiáng)的導(dǎo)電性。石墨烯的電子遷移率比納米碳管或硅晶體高，是硅的100倍，在室溫下可以達(dá)到15000cm2/(V·s)。電阻率比鋁、銅和銀低很多，只有10～6Ω·cm左右。二是具有超強(qiáng)的導(dǎo)熱性。石墨烯的導(dǎo)熱性能優(yōu)于碳納米管，是銅、鋁等金屬的數(shù)10倍，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m?K。三是具有超強(qiáng)的力學(xué)性，石墨烯的硬度超過(guò)金剛石，斷裂強(qiáng)度達(dá)到鋼鐵的100倍。四是具有超強(qiáng)的透光性。石墨烯的吸光率非常小，透光率高達(dá)97.7%。五是具有超強(qiáng)的比表面積。石墨烯的比表面積每克比普通活性炭高出1130m2，

5、達(dá)到2630m2/g。3.1石墨烯的光學(xué)性能石墨烯是已知的世上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，具有優(yōu)異的光學(xué)性能。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單層石墨烯吸收2.3%的可見光，即透過(guò)率為97.7%。從基底到單層石墨烯、雙層石墨烯的可見光透射率依次相差2.3%，因此可以根據(jù)石墨烯薄膜的可見光透射率來(lái)估算其層數(shù)。結(jié)合非交互狄拉克-費(fèi)米子理論，模擬石墨烯的透射率，可以得出與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符的結(jié)果。根據(jù)折射和干涉原理，不同層數(shù)的石墨烯在光學(xué)顯微鏡下會(huì)顯示出不同的顏色和對(duì)比度，為石墨烯層數(shù)的辨別提供了方便。理論和實(shí)驗(yàn)表明大面積石墨烯薄膜同樣具有優(yōu)異的光學(xué)性能，且其光學(xué)特性歲石墨烯的

6、厚度發(fā)生變化。石墨烯薄膜是一種典型的透明導(dǎo)電薄膜，可以取代氧化銦錫（ITO）、摻氟氧化銦（FTO）等傳統(tǒng)薄膜材料，即可克服ITO薄膜的脆性缺點(diǎn)，也可解決銦資源稀缺對(duì)應(yīng)用的限制等諸多問(wèn)題。石墨烯透明導(dǎo)電薄膜可作為染料敏化太陽(yáng)能電池和液晶設(shè)備的窗口層電極。另外，當(dāng)入射光的強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，石墨烯對(duì)其的吸收會(huì)達(dá)到飽和。這一非線性光學(xué)行為成為飽和吸收。在近紅外光譜區(qū)，在強(qiáng)光輻照下，由于其寬波段吸收和零帶隙的特點(diǎn)，石墨烯會(huì)慢慢接近飽和吸收。利用這一性質(zhì)，石墨烯可用于超快速光子學(xué)，如光纖激光器等。3.2石墨烯的電學(xué)性能石墨烯的每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道電子形成π鍵，π電子可以自

7、由移動(dòng)，賦予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性。由于原子間作用力非常強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生碰撞，石墨烯中的電子收到的干擾也很小。電子在石墨烯中傳輸時(shí)不易發(fā)生散射，傳輸效率1.5×105cm2/(V·s)，約為硅中電子遷移率的140倍。其電導(dǎo)率可達(dá)106s/m，而電阻率只約10-6Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來(lái)發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由