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石墨烯和石墨烯片有何區別?

鉅大LARGE  |  點擊量:4836次  |  2018年09月17日  

摘要
石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種,還非常牢固堅硬;作為單質,它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。

石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種,還非常牢固堅硬;作為單質,它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子以sp2;雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設性的結構,無法單獨穩定存在[1],直至2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,而證實它可以單獨存在,兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由,共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料,它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光";導熱系數高達5300W/m·K,高于碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率*超過15000cm2/V·s,又比納米碳管或硅晶體*高,而電阻率只約10-6Ω·cm,比銅或銀更低,為目前世上電阻率最小的材料[1]。因為它的電阻率極低,電子遷移的速度極快,因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質上是一種透明、良好的導體,也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

石墨烯另一個特性,是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應。

石墨烯的碳原子排列與石墨的單原子層雷同,是碳原子以sp2混成軌域呈蜂巢晶格(honeycombcrystallattice)排列構成的單層二維晶體。石墨烯可想像為由碳原子和其共價鍵所形成的原子尺寸網。石墨烯的命名來自英文的graphite(石墨)+-ene(烯類結尾)。石墨烯被認為是平面多環芳香烴原子晶體。

石墨烯的結構非常穩定,碳碳鍵(carbon-carbonbond)僅為1.42?。石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌,當施加外力于石墨烯時,碳原子面會彎曲變形,使得碳原子不必重新排列來適應外力,從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。

石墨烯是構成下列碳同素異形體的基本單元:石墨,木炭,碳納米管和富勒烯。完美的石墨烯是二維的,它只包括六邊形(等角六邊形);如果有五邊形和七邊形存在,則會構成石墨烯的缺陷。12個五角形石墨烯會共同形成富勒烯。

石墨烯卷成圓桶形可以用為碳納米管;另外石墨烯還被做成彈道晶體管(ballistictransistor)并且吸引了大批科學家的興趣。在2006年3月,佐治亞理工學院研究員宣布,他們成功地制造了石墨烯平面場效應晶體管,并觀測到了量子干涉效應,并基于此結果,研究出以石墨烯為基材的電路.

石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它是已知材料中最薄的一種,質料非常牢固堅硬,在室溫狀況,傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯的原子尺寸結構非常特殊,必須用量子場論才能描繪。

石墨烯是一種二維晶體,人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的,石墨的層間作用力較弱,很容易互相剝離,形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后,這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。

第一:石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料,據測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜(厚度約100納米),那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力,而不至于斷裂;第二:石墨烯是世界上導電性最好的材料。

石墨烯的應用范圍廣闊。根據石墨烯超薄,強度超大的特性,石墨烯可被廣泛應用于各領域,比如超輕防彈衣,超薄超輕型飛機材料等。根據其優異的導電性,使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。石墨烯有可能會成為硅的替代品,制造超微型晶體管,用來生產未來的超級計算機,碳元素更高的電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是一種優良的改性劑,在新能源領域如超級電容器、鋰離子電池方面,由于其高傳導性、高比表面積,可適用于作為電極材料助劑石墨烯出現在實驗室中是在2004年,當時,英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片,然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上,撕開膠帶,就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作,于是薄片越來越薄,最后,他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片,這就是石墨烯。這以后,制備石墨烯的新方法層出不窮,經過5年的發展,人們發現,將石墨烯帶入工業化生產的領域已為時不遠了。因此,兩人在2010年獲得諾貝爾物理學獎。

石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾,人們發現,石墨烯具有非同尋常的導電性能、超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性,它的出現有望在現代電子科技領域引發一輪革命。在石墨烯中,電子能夠極為高效地遷移,而傳統的半導體和導體,例如硅和銅遠沒有石墨烯表現得好。由于電子和原子的碰撞,傳統的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量,目前一般的電腦芯片以這種方式浪費了72%-81%的電能,石墨烯則不同,它的電子能量不會被損耗,這使它具有了非同尋常的優良特性。

石墨烯微片

石墨烯微片(GrapheneNanoplatelets)是指碳層數多于10層、厚度在5-100納米范圍內的超薄的石墨烯層狀堆積體。在有的文獻中,也稱為GrapheneNanosheets.

石墨烯微片保持了石墨原有的平面型碳六元環共軛晶體結構,具有優異的機械強度、導電、導熱性能,以及良好的潤滑、耐高溫和抗腐蝕特性。相對于普通石墨,石墨烯微片的厚度處在納米尺度范圍內,但其徑向寬度可以達到數個到數十個微米,具有超大的形狀比(直徑/厚度比)。

應用領域:

提高塑膠的導熱及散熱性能;

塑膠導電及抗靜電改性;

增強塑膠的強度;

改善塑膠的耐磨、潤滑性能及耐腐蝕性。

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