【石墨烯专题】石墨烯究竟是什么?

发布于2020-06-06 14:13:22

来自:安米微纳团队

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基 本 定 义

石墨烯(Graphene)是一种碳原子单层平面晶体新材料,它独特的碳单层结构一度被 认为无法稳定存在。2004 年两位英国物理学家成功从石墨中分离得到石墨烯,并因此荣获 2010 年诺贝尔物理学奖。到目前为止,已经发现的碳元素的同素异形体涵盖了从零维到三维的所有维度;零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯、三维的石墨和金刚石,科学家从石墨烯成功制备出富勒烯、碳纳米管等其他碳素材料,因此石墨烯也被称为各种石墨形体之母。

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基 本 分 类

理论上石墨烯指的是单层结构的石墨烯。然而产业化阶段实际制备的石墨烯并非严格的单层,其可分为单层、双层和少层石墨烯。石墨烯微片是指碳层数多于10层、厚度在 5-100 纳米范围内的超薄的石墨烯层状堆积体,性质接近薄层体石墨。石墨烯产品最终的形态有溶液、粉体、薄膜,层数低的产品一般都是溶液形式。



单层石墨烯

碳原子仅在二维平面以六角蜂巢结构排列构成严格单层碳材料。



双层石墨烯

二四六马会快速开奖由两层碳原子周期性地以不同堆垛方式排布构成的二维碳材料。



少层石墨烯

二四六马会快速开奖由3~10层碳原子以六角蜂巢结构周期性紧密堆积成的二维碳材料。

单层石墨烯是一层碳原子排列起来的,20万层叠起来才是一根头发丝的直径。经研究发现,当石墨层的层数少于10层时,就会表现出较普通三维石墨不同的电子结构,所以我们将10层以下的石墨材料统称为石墨烯材料。而不同层数的石墨烯又会表现出不同的导电性、导热性、力学特性及光学特性,所以并不是说单层的石墨烯就是最好的材料,而应该根据实际应用来选择合适的石墨烯材料。

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发 展 历 史
1918

V.Kohlschutter和P.Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质。

1948

G.Ruess和F.Vogt发表了最早用穿透式电子显微镜拍摄的少层石墨烯图像。

1966

Mermin-Wagner理论提出二维晶体易被破坏,石墨烯只是作为研究碳材料的理想模型。

1991

日本科学家饭岛发现了一种针状的管形碳单质——碳纳米管。

2004

安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授利用胶带首次分离出石墨烯薄层。

2008

韩国成均馆大学和美国休斯敦大学首次采用CVD法大面积制备石墨烯薄膜。

2010

安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授获得诺贝尔物理学奖,石墨烯受到全球关注。

2011

我国首个石墨烯研究与产业孵化机构--江南石墨烯研究院成立。

2013

我国石墨烯产业技术创新战略联盟成立。

2014

鸿纳科技千吨级石墨烯生产线投产。

2018

石墨烯领域首个国家标准《纳米科技 术语第13部分:石墨烯及相关二维材料》正式发布。



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性 能 特 点

石墨烯的出现,有望在构造材料、电子器件功能性材料等诸多领域引发材料革命。石墨烯的结构非常稳定,因其独特的结构具有良好的力学、电学、光学和热学性能,透光率高达97.7%。相比于现有材料,石墨烯更是拥有众多“史上最强”性能。

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制 备 方 法

目前制备石墨烯的方法主要有四种:微机械剥离法、气相沉积法、外延生长法、氧化石墨还原法。到目前为止,还没有形成一种成熟的方法大规模地生产质量较高的工业级石墨烯。右图列出四种基本制备方法的对比。各种制备方法各有优劣。从产业化的角度来看,目前适合大规模量产的生产方法仅有气相沉积法和氧化石墨还原法。



微机械剥离法

微机械剥离法是直接将石墨烯薄片从较大的石墨晶体上剥离下来的方法。2010年曼彻斯特大学Geim教授和Novoselov博士就是使用该方法分离出石墨烯。



气相沉淀法

化学气相沉积(CVD)是一种能够规模化沉积半导体薄膜的制备技术,目前在工业上应用最为广泛。该方法是在真空中将甲烷等碳素源加热到1000℃,使其分解,然后在Ni及Cu等金属箔上形成石墨烯膜。



外延生长法

二四六马会快速开奖外延生长法又叫做热分解法,是以单晶碳化硅(SiC)为原料,将SiC基板加热到1300℃左右去除表面的Si,剩下的碳原子自发性重新组合形成单层或者多层石墨烯片。



氧化石墨还原法

二四六马会快速开奖氧化石墨还原法是日本三菱化学开发的氧化石墨烯法。这种方法首先使石墨烯氧化,之后放入溶液内融化,最后在基板上对齐还原。

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应 用 领 域

石墨烯在很多领域都有十分广阔的发展空间,但大部分石墨烯的应用在中短期仍处在科学研究的状态。由于其独特的物理化学性质,石墨烯有望在半导体、光伏、锂电池、航天、军工、显示器、功能涂料等传统行业和新兴行业带来革命性进步,一旦量产将成为下一个万亿级产业。

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