石墨烯Word

　　石墨烯简介应用和未来发展前景

　　比砖石还硬的材料

　　———石墨烯

　　石墨烯简介应用和未来发展前景

　　一、石墨烯材料发现石墨烯(Graphene)是2004年 由英国曼彻斯特大学科斯提亚.诺沃 谢夫(Kostya Novoselov)和安德烈.盖 姆(Andre Geim)发现的，他们使用的 事一种被称为机械微应力技术 (micromechanical cleavage)的简单 方法。正是这种简单的方法制备出来 的简单物质——石墨烯推翻了科学界 的一个长久以来的错误认识——任何 二维晶体不能在有限的温度下稳定存 在。现在石墨烯这种二维晶体不仅可 以在室温存在，而且十分稳定的存在 于通常的环境下。

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　　石墨烯(Graphene)是碳原子紧密堆积成单层二 维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335 纳米，仅为头发的20万分之一，是构建其他维数碳质材 料(如零位富维勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基 本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。石墨烯具有突出的导热性能(3000W.m-1.K-1)和 力学性(1060GPg)以及室温下较高的电子迁移率 (15000cm2.V-1.S-1)。此外，他的特殊结构，使其具 有永不消失的电导率等一系列性质，因而备受关注。

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　　二、石墨烯材料的制备

　　1、机械剥离法 通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离石墨烯片层。 2、加热Sic法 通过加热单晶Sic脱除Si,在单晶(0001)面上分解出石墨烯 片层。Berger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。 据预测这种方法很可能是未来大量制备石墨烯的主要方法之一。 3、模板法 1988年京谷隆等利用模板法在蒙脱土的层间形成了石墨烯片层， 一旦脱除模板，这些片层就会白组装形成体相石墨。一些研究 小组正在探索如何利用二维模板的空隙制备可自由存在的单层 石墨烯但至今尚无令人满意的结果报道。 4、晶膜生长 利用生长基质原子结构“种”出石墨。 5、化学法

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　　三、石墨烯材料的性质1.力学性质——比砖石还要硬数据转换分析：在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大 压力居然达到了大约2.9微牛。

　　据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。 如果物理学家能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约为100纳米)石墨 烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成 包装袋，那么它将承受大约两吨重的物品。打个比方说单层石墨烯的强度，就像把大象的重量加到一支铅笔上，才能够用这支铅 笔刺穿仅像保鲜膜一样厚度的单层石墨烯。

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　　2.导电性石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部 机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必 重新排列来适应外力，也就保持了结

　　构稳定的晶格结 构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速 的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。 这使得石墨烯中的电子，或更准备地，应称为“载荷 子”(electric charge carrier )的性质和相对论性的 中微子非常相似。 石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可 见光。而这也是石墨烯中载荷子相当论性的体现。

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　　3.电子的相互作用石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存 在着强烈的相互作用。 石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用 强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作 用。

　　4、其他特殊性质①石墨烯具有明显的二维电子特性。 ②在石墨烯中不具有量子干涉磁阻。 ③石墨烯电子性质用量子力学的狄拉克方程来描述比薛定 谔方程。

　　④好可控渗透性。⑤超电容性 ……….

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　　四、石墨烯的应用(1)、优良的太阳能电池 因为石墨烯是透明 的,用它制造的电板比其他材料具有更优良的透 光性。透明的石墨烯薄可制成优良的太阳能电 池。美国鲁特格大学开发出一种制造透明石墨 烯薄膜的技术,这是一种几厘米宽、1~5nm厚 的薄膜。石墨烯薄膜是一种平坦的单原子碳薄, 可用于取代透明导电的ITO电极用于有机太阳 能电池。这些薄膜还用于取代显示屏中

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　　石墨烯是新能源汽车的技术突破关键新能源汽车使用电力驱动电池储能，就必然有优点和缺点。 优点：新能源汽车的核心优点，对于国家来说是节约石 油、减轻环境污染等，但是对于消费者就是两个优点。 1、省钱。燃油车每公里油费大概0.8元，但是使用电只 需要0.2元。另外，电机结构非常简单不易坏，不需要频繁保 养。 2、安静舒适无异味。由于是电机驱动，车没有难闻的汽 油味，而且没有发动机的轰鸣和振动，乘坐非常舒适。另外， 电动车没有离合器，操作简单。

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　　缺点： 1、充电速度问题。虽然未来的充电速度一定会加 快。但是电池的充电速度永远不可能快于加油速度。 如果一个城市有很多纯电动车，充电时间的累积是非 常恐怖的。这个问题造成的结果，就是电动汽车用起 来永远不会有燃油车那么自如方便。

　　2、成本问题。电动车为了能反复充电和续航，必 然需要电池这个额外成本。目前动力电池成本大概在 2000 元/千瓦时。一辆汽车如果续航500公里需要90度 以上的电池。这个成本就是18万了。即使日后可以大 规模减轻成本，能达到铅酸电池的成本，也需要8万~9 万。

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　　(2)、可做“太空电梯”缆线 石墨烯不仅可用来开发制造出纸片般薄的超 轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣,甚至能让科学 家梦寐以求的 2.3

　　万英里长太空电梯成为现实。 研究人员表示,如果这种方法被证明可用以成批 制造石墨烯光纤,将能降低超坚固炭素复合材料 的成本,炭素复合材料在航空航天、汽车和建筑 等领域具有广泛的用途。

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　　微电子领域微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人 员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来 生产未来的超级计算机。 曼彻斯特的小组采用标准半导体制造技术制 作出晶体管。从一小片石墨烯片层开始，采 用电子束曝光早材料上刻出沟道。在被称为 中央岛的中部位置保持一个带有小圆笼的量 子点。电压可以改变这些量子点的电导率， 这样就可以像标准场效应晶体管那样储存逻 辑态。可在26GHz频率下运作可望使该种材 料超越硅的极限，达到100GHz以上的速度跨 入兆赫(terahertz )领域。

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　　双层石墨烯可降低元器件电噪声美国IBM公司T.J. 沃森研究中心的 科学家，最近攻克了在利用石墨构 建纳米电路方面最令人困扰的难题， 即通过将两层石墨烯片叠加，可以 将元器件的电噪声降低10倍，由此 可以大幅改善晶体管的性能，这将 有助于制造出比硅晶体管速度快、 体积小、能耗低的石墨烯晶体管。

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　　其他应用PH传感器

　　气体分子传感器

　　储阳材料

　　物药控制释放

　　离子筛

　　作为电极材料

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　　五、石墨烯的展望1.电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管2.进一步减少器件开关时间，THz超高频率的操作响应特性 3.探索单电子器件 4.在同一片石墨烯上集成整个电路 5其他潜在应用包括：复合材料;作为电池电极材料以提高电池效率、 储氢材料领域、场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域 6.可应用于各种器件的特殊性能要被精确的控制

　　7.最重要的是石墨烯制备方法的改进，如何大量、低成本制备高质量 的石墨烯材料应该是未来研究的一个重点