新材料之王-石墨烯

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1、新材料之王——石墨烯物理101班王宇東1012110116石墨烯的發(fā)現(xiàn)近幾年，石墨烯越來(lái)越受到人們的關(guān)注。它被證實(shí)是世界上發(fā)現(xiàn)材料中最薄，最堅(jiān)硬的物質(zhì)。于此同時(shí)，它還具有很多非比尋常的特性。石墨烯的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技行業(yè)引發(fā)一場(chǎng)革命。石墨烯最早出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)在2004年，是英國(guó)的兩位科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫首先開(kāi)始研究石墨烯的。當(dāng)時(shí)，海姆買(mǎi)了一大塊高定向熱解石墨，這是一種純度非常高、通常用于分析的石墨材料。海姆把它交給了他新來(lái)的一位中國(guó)博士生，并給了他一臺(tái)非常高級(jí)的拋光機(jī)，希望他能制作出盡可能薄的薄膜。三個(gè)

2、星期過(guò)后，這位博士生拿著一個(gè)培養(yǎng)皿告訴海姆說(shuō)做好了。海姆用顯微鏡觀察培養(yǎng)皿底部的石墨斑，發(fā)現(xiàn)那足有10nm厚，相當(dāng)于1000層石墨烯的厚度。海姆于是問(wèn)他，能不能磨得再薄一些?他告訴海姆，那還再需要一塊石墨。要知道這種石墨每塊大約要花300美元。海姆承認(rèn)自己當(dāng)時(shí)的態(tài)度可能不太好，于是，那位中國(guó)博士生對(duì)他說(shuō)：“既然你這么聰明，那你就自己試試吧?！庇谑?，海姆和諾沃肖洛夫就去做了，他們采用了一種非常簡(jiǎn)單的方法。因?yàn)槭哂型暾膶訝罱饫硖匦裕梢园磳硬Ａ?。他們就用透明膠帶在石墨上粘一下，這樣就會(huì)有石墨層被粘在膠帶上。再用一條新膠帶，粘

3、一下再拉開(kāi)，這樣，兩段膠帶都粘有石墨層，石墨層又變薄了。如此反復(fù)多次，膠帶上的石墨層薄到只有一個(gè)碳原子的厚度時(shí)，石墨層也就變成了石墨烯。從這個(gè)簡(jiǎn)單的方法開(kāi)始，石墨烯的制備方法層出不窮，經(jīng)過(guò)6年得發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)為時(shí)不遠(yuǎn)了。石墨烯的特性和應(yīng)用石墨烯之所以受到如此廣泛的關(guān)注，是因?yàn)樗哂衅渌镔|(zhì)不能比擬的特性，而且還是多方面的特性。1.最薄最堅(jiān)硬的特性石墨烯具有超高的強(qiáng)度，碳原子間的強(qiáng)大作用力使它成為目前已知力學(xué)強(qiáng)度最高的材料?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高100倍。美國(guó)機(jī)械工

4、程師杰弗雷·基薩教授用一種形象的方法解釋了石墨烯的強(qiáng)度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上，才能戳穿只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層。美國(guó)航天局曾經(jīng)懸賞400萬(wàn)美元，尋找一種足夠堅(jiān)韌的材料，來(lái)制成長(zhǎng)達(dá)3.7萬(wàn)公里纜線。搭建一座可以直通同步衛(wèi)星的“太空電梯”。正是石墨烯的發(fā)現(xiàn)讓這個(gè)人類(lèi)可以“一步登天”的夢(mèng)想變成了可能。當(dāng)然，石墨烯將來(lái)也可以用來(lái)制造超級(jí)防彈衣，超新型火箭等。2.高導(dǎo)電性石墨烯是一種二維晶體，其中的電子運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子

5、在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或者更準(zhǔn)確的，應(yīng)稱(chēng)為“載荷子”，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。人們依據(jù)它優(yōu)異的導(dǎo)電性，可以用來(lái)制作晶體管，在這一方面，它有望超過(guò)硅晶體，突破現(xiàn)有的物理極限，使電腦運(yùn)行速度更快，能耗更低。另外，石墨烯與塑料混合制成導(dǎo)體，可用于輸電功能，同時(shí)具備更強(qiáng)的機(jī)械性能和耐熱性能。1.高導(dǎo)熱性美國(guó)加州大學(xué)的一項(xiàng)研究資料顯示，石墨烯的導(dǎo)熱性?xún)?yōu)于碳納米管。普通碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)3000W/mK以上，各種金屬中導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高的有銀、銅、金、鋁，而單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)5300W/mK，甚至

6、有研究表明其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)6600W/mK。優(yōu)異的導(dǎo)熱性能使得石墨烯有望作為未來(lái)超大規(guī)模納米集成電路的散熱材料。2.優(yōu)良的摩擦學(xué)性能我們都知道，鉛筆灰可以用來(lái)做鎖具的潤(rùn)滑劑。這說(shuō)明了石墨有很好的摩擦學(xué)性能。同樣，石墨烯也具有此特性。研究人員利用氧化石墨烯表面的活性環(huán)氧基、羧基與氨基的化學(xué)作用，將其組裝到3-氨丙基三乙氧基硅烷自組裝薄膜(APTES-SAMS)修飾的單晶硅基底表面，然后進(jìn)行熱還原處理，得到了還原的石墨烯氧化物。對(duì)制備的樣品進(jìn)行摩擦學(xué)性能表征，發(fā)現(xiàn)所獲得的薄膜具有較低的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的抗磨損性能。這項(xiàng)研究成果可以提供

7、一種全新的潤(rùn)滑體系，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)和科學(xué)體系。3.其他除了上述的幾個(gè)特性以外。它的透光性同樣很好，幾乎是完全透明的，只吸收百分之2.3的光。它也非常致密，即使是氦原子——最小的氣體原子也無(wú)法穿過(guò)。石墨烯的應(yīng)用并不局限于其中一個(gè)特性上，比如，它的導(dǎo)熱性、透光性和導(dǎo)電性可以用來(lái)生產(chǎn)液晶屏幕，而且是曲面屏，據(jù)說(shuō)三星研究人員已經(jīng)制作出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。再比如，制作石墨烯太陽(yáng)能電池需要導(dǎo)電和導(dǎo)熱，透明觸摸屏不光需要一些傳感性能，還需要它的高強(qiáng)度和高硬度，還有光子傳感器等等都需要應(yīng)用它的綜合特性?？傮w來(lái)說(shuō)，基于

8、石墨烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)，石墨烯具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如高比表面積、高導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度高、易于修飾及大規(guī)模生產(chǎn)等。如此多的優(yōu)良的特性使它的應(yīng)用面非常廣泛。它足以引起一場(chǎng)科技革命。石墨烯的制備方法石墨烯的合成方法主要有兩種：機(jī)械方法和化學(xué)方法。機(jī)械方法包括微機(jī)械分離法、取向附生法