单层石墨材料.docx

横空出世的单层石墨材料作者：吴中乐谈到单层石墨材料当然无法避免地涉及2010年诺贝尔物理学奖的获得者2010年，因“研究二维材料石墨烯的开 创性实验”，诺贝尔物理学奖的全高荣 誉由现任英国曼彻斯特大学教授的安德 烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫，因 “研究二维材料石墨烯的开创性实验” 而共享他们6年前制成的石墨烯已迅 速成为物理学和材料学的热门话题，现 在是世界上最薄的材料，仅有一个原子 厚许多诺贝尔奖候选成果仍然在经受时间及后人检验，但石墨烯却在出现6 年之内荣登宝座，评审委员会认为，它“有望帮助物理学家在量子物理学研究领 域取得新突破”，还将极大促进汽车、飞机和航天工业的发展这个从铅笔芯中 得来的发现，被看作最有可能改写未来世界电子产业的因素短短的6年里，单层石墨才崭露头角，却已成了 21世纪的宠儿，原因又何 在呢？个中的原因，自然离不开它的发现与其种种优异的性能单层石墨材料的 发现才衍生出了巨变，它的发现又是一件有有趣的故事平时我们所见到的石墨都是一层一层堆起来的，我们 也知道石墨的每一层是以C原子间的共价键连接的，非常 稳定；而层与层之间是以原子间作用力连接，因此层与层 之间的相互作用就很弱，因此石墨被作为固体润滑剂。

既 然石墨层与层之间作业很弱，那么从石墨里分出一层应该 是可以实现的，但是如果分出来的单层石墨是准二维晶体 材料，那么根据1934年Peierls提出的理论，它就不能稳 定存在就算是长程有序的晶体，也会因为长的波长起伏 而受到破会［1］因此，人们一直以为单层的石墨品体不可能稳定地存在但是2004 年却改变了人们的这一认识 曼彻斯特大学的 Andre Geim和KonstantinNovoselov用胶带子逐层地得到了单层石墨就这样，单层石墨横空出世单层石墨材料的发现给世人带来了惊喜，人们自然会不余遗力的研究这一重 大成单层石墨材料的定义，自然得到了快速的解决首先说单层石墨的结构，单层石墨的结构和石墨里的每单层的结构是一样 的C原子的核外电子排布是1S22S22P2，和其它C原子结合时以SP2杂化， 这样形成3个杂化轨道，和另外的3个C原子结合，这样就可以推算单层石墨的 结构就是无数个重复的六边形结构构成的无限延伸的蜂窝杂化后，还有另外的 多余的一个2P电子就形成大兀键，因此单层石墨有很好的导电性，并且由于这 些单电子的存在，它还容易吸附其它的原子，如H，OH等，这样它就会有其它 扩展性的性质，拓宽了它的应用。

上面也会说到了，准二维的单层石墨不会稳定地存在，那么既然单层石墨能 稳定地存在，它就不会是准二维，那么它到底是什么样的形状呢？准二维的晶体 材料由于它自身的热力学不稳定性而不能稳定地存在，那么单层石墨要稳定地存在就要降低它的表面能，那么怎么降低表面能呢？褶皱⑵，即纳米级别上的微观 扭曲⑶！并且由此可以推出，随着石墨层数的增加，这种单层上的褶皱会减弱， 因为形成多层石墨就不再需要出现褶皱来降低那么多的表面能了而褶皱也就是 单层石墨的主要形态特征之一了珥流密度蜗性星火类似-限化制“的功能优异的性质使得单层石墨材料备受宠爱，介绍了单层石墨材料的来历，它的 性质显得尤为重要34m.比衰面室沼下为2呼站勿Vs芯的1即倍 理食值耕睥万的您以上有望达到2犯He静「Cufi牝0僧：破坏强度山辨颇氐携岫与全期 石祖当3MMOMfKE与GNT相当）可桂测出单个有机分干至树脂材料等.可强此电 子输送功能已在抵温下跑讯牡有一定欢果.天需滴加种『己实现W叶构造 r牛l就悻学温下可实现无散射悖胸'••「.• •••"•’ •，电学性质 “f 弦我们知道每一种物质都有相应的化学、物理和电学等性质，但每种物质的出 现，人们的研究在每个阶段都会有不同的侧重点。

单层石墨也是一样，人们现阶 段也是第一个阶段，侧重的至少是研究最深的是电学性质⑷，因为人们都看好因 它的电学方面的优良性质而带来的重要应用那么它在电学性质上有什么突出的 性质呢？就是它的电子移动速率，至少可以达到硅的100倍⑸试想把它应用于 集成电路，那么新的集成电路的反应速度将会比现在的快上许多⑹另外，单层石墨的电学性质和其它的晶体有个很重要的区别，就是它的电子 迁移速率几乎不受温度的影响［7］一般的晶体温度越高，品格的震动就越强，从 而使电子的迁移速率降低，既温度越高，电子的迁移速率就越低但由于单层石 墨的晶格震动对电子的迁移速率影响很小，因此单层石墨的电子迁移速率几乎不 受温度的影响物理性质以前在人们的认知里金刚石是世界上最硬的物质，也是导热性最好的物质 但是单层石墨的出现改变了这个事实⑻一一单层石墨比金刚石硬，导热性单层石 墨比金刚石好！由于单层石墨中CC键很强，很不容易被破坏，因此它的机械性 能很强；由于单层石墨就是一个大兀键，它的导热性可以很好当然就是因为如此，人们现在还不知道单层石墨的熔点，也不知道它是如何溶化的9如此也可 以想到一点，既然CC键那么强，当其它的分子或是原子想要通过单层石墨是很 难的，因为第一，六个C原子构成的正六边形很小，第二，作用力很强，通过需 要很大的能量。

由于这个性质也会有很多的重要应用不止如此，CC间的连接 不止是强，还很柔韧：当受到强大的外力时，C原子表面会弯曲变形，这样一来， C原子就不用重新排列，CC键可以不断裂，这样单层石墨就会很牢固［10］化学性质正如上面提到的，人们现在对单层石墨的化学性质的研究还相对比较少但 其中重要的一点就是上面提到的，由于它有个大n键，容易吸附其它的原子和分 子，那么既然是吸附，并且是靠形成大n键的电子吸附，而单层石墨的超强的导 电性也是因为这些电子，那么吸附后它的导电性肯定会大大降低，就可以形成一 些低导电性的衍生物并且吸附不同的物质得到的物质会有不同的性质，这将是 单层石墨的一片广阔的研究空间无限的潜力在于优良的品质，单层石墨材料有着硅难以企及的电子迁移速 度，比金刚石还硬的物理特性，神秘莫测的化学特性：单层石墨材料前景一片光 明2009年11月电源技术的新闻曾发表《单层石墨纸材料(Graphene)或能降低 锂离子电池的成本》，天津大学化工院的杨全红和唐致远发表的《新型储能材料 ——石墨烯的储能特性及其前景 展望》，他们都展示了单层石墨在 储能领域的无限潜力研究人员 通过设计一种简单的碳纳米管太 阳电池来解决目前存在的问题。

当太阳电池被更高能量的质子撞 击时，会产生成倍的电流，而不 像以前多余的能量以热能的方式 散发掉他们制造了一个微小的 光电二极管，即一种简单的太阳 电池它是将一个碳纳米管在两 个电极之间连接，并接近两个电 极，两个电极分别被充成正极和 负极研究人员发现由于纳米管 的结构非常细小，所以能迫使电子一个个的通过，这样能量较高的质子所剩余的 能量会进一步的产生电子，从而使电池的能量转换过程更接近理想状态，这也是 开发更高效率的太阳电池帆板的关键所在不幸的是目前的纳米技术还不成熟， 没有达到规模生产，而且昂贵，所以要制造便宜、可靠的碳纳米管太阳电池还有 待时日乐观者认为实现这一技术只是时间的问题Graphene “单层石墨纸材料”是一种只有一个原子厚度的神奇材料，它是一层密集的、包裹在蜂巢品体点阵上的碳原子在被科学家们描述为与“削 铅笔”相似的过程中，使石墨爆裂成单独的原子面，于是Graphene就产生了 这些原子碎片异常的稳定，而且具有很高的弹性且十分坚固，同时传导性也极好单层石墨的电子迁移速度是人们梦寐以求的，既然已经被发现了，我们自然 会竭其所能2011年8月1日，华强网报道《最薄单层石墨烯有望用作芯片制作 材料》全球各地大学的研究人员都开始着眼于将单层石墨做成芯片，应用到新一 代的电子设备中，例如，有的研究人员尝试着研发新型电脑触摸屏，在该触摸屏 中用单层石墨芯片代替原有硅芯片。

诺沃肖洛夫教授和安德烈-海姆教授表示， 该研究结果对于物理学来说是个很大的突破，对于未来的新一代电子应用程序来 说则蕴含着非比寻常的意义，未来的单层石墨电子产品不再是梦想当然神奇的“单层石墨材料”不会仅限于这点才能旨在应用石墨烯的研发机会也在全球范围内急剧增加石墨烯或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、 激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料能够承载汽车的吊床：单层石墨烯的厚度非常薄，只有一个碳原子厚，约 为0.34nm但强度却与金刚石相当，非常坚硬瑞典皇家科学院（Royal Swedish Academy of Sciences）在发表2010年物理学奖时曾这样比喻其强度，“利用单 层石墨烯制作的吊床可以承载一只4kg的兔子”还有估算显示，如果重叠石墨 烯薄片，使其厚度与食品保鲜膜相同的话，便可承载2吨重的汽车石墨烯用作电子器件材料会带来更大效果单层石墨烯中的电子与空穴 （Hole）载流子迁移率有望在室下最大达到硅（Si）的100倍即20万cm2/Vs这 一数值远远超过以往被认为载流子迁移率最大为7.7万cm2/Vs的锑化铟（In） 而石墨烯室下的电阻值却只有铜（Cu）的2/3。

人们还发现，石墨烯可耐受1亿〜 2亿A/cm2的电流密度，这是铜耐受量的100倍左右载流子迁移速度很快，可达 到光的1/300传热率与金刚石相当，再加上其薄片形状，所以石墨烯作为划时 代的散热材料备受期待有望实现超高速FET及激光器：许多研究机构及厂商已开始以具备多项穿透 特性的单层石墨烯为对象，研发新一代器件的实用化（图2）主要开发对象之一 是利用石墨烯的高载流子迁移率及高迁移速度制作的THz频率的晶体管理论上 估计其工作频率可达到10THz助修性 时*4■

IBM的石墨烯FET的最大截止频率高达240GHz另外，美国加州 大学洛杉矶分校（UCLA）已于2010年9月发布截止频率达到300GHz的石墨烯FET要超越截止频率达到600GHz以上的化合物半导体HEMT （高电子迁移率晶体 管），两公司发布的石墨烯FET的性能还无法充分满足要求不过，IBM的石墨 烯FET的截止频率提高得很快，2008年12月只有26GHz，2009年6月达到50GHz， 2010年2月提高至100GHz，此次则达到了240GHz在不久的将来，石墨烯FET的 性能很可能会达到甚至超过HEMT的同等水平石墨烯还能用来制造激光元件日本东北大学电气通信研究所教授尾边泰一 的研究小组，目前正以利用石墨烯开发超高输出功率的超短脉冲激光元件为目标 推进相关研究据该大学介绍，其关注点是，石墨烯采用电子与正孔对称的能带 构造，而且具备容易实现较大载流子密度的性质优先推进微细化不过，目前已实用化的绝大部分石墨烯FET为放大器及高灵敏度气体传感器元件 等RF电路用FET逻辑电路用FET尚未面世这是因为单层石墨烯没有。