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石墨烯性能及相关概念

石墨烯性能及相关概念

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第一章 石墨烯性能及相关概念

1 石墨烯概念

石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨,厚度为0.335nm,仅有一层碳原子。但实际上,10层以内的石墨结构也可称作石墨烯,而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨,碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构,由六边形晶格组成,理论比表面积高达2.6×102 m2 /g。石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m•K))和力学性能(1.06×103 GPa)。此外,石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性,室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能,引起科学界巨大兴趣,成为材料科学研究热点。

石墨烯结构图

 

2 石墨烯结构

石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片,由 sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。 石墨烯中碳 -碳键长约为 0.142nm。每个晶格内有三个σ键,连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元,可以将它看做一个无限大的芳香族分子,平面多环烃的极限情况就是石墨烯。

形象来说,石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构,看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中,每个碳原子通过 sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形,每一个六边单元实际上类似苯环,碳原子都贡献出个一个未成键电子。单层石墨烯厚度仅0.35nm ,约为头发丝直径的二十万分之一。

石墨烯的结构非常稳定,碳原子之间连接及其柔韧。受到外力时,碳原子面会发生弯曲变形,使碳原子不必重新排列来适应外力,从而保证了自身的结构稳定性。

石墨烯是有限结构,能够以纳米级条带形式存在。纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒,势垒随条带宽度的减小而增大。因此,通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒。这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础。

石墨烯能带结构图

3 石墨烯性能

石墨烯是一种超轻材料,面密度为0.77mg/m2,的主要性能是: 一是具有超强的导电性。石墨烯的电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高,是硅的100倍,在室温下可以达到15 000cm2 /( V·s) 。电阻率比铝、铜和银低很多,只有10 ~ 6Ω·cm 左右。二是具有超强的导热性。石墨烯的导热性能优于碳纳米管,是铜、铝等金属的数10倍,导热系数高达5300W/m•K。三是具有超强的力学性,石墨烯的硬度超过金刚石,断裂强度达到钢铁的100倍。四是具有超强的透光性。石墨烯的吸光率非常小,透光率高达97. 7%。五是具有超强的比表面积。石墨烯的比表面积每克比普通活性炭高出1130m2,达到2630m2 /g。

 

 

 

3.1 石墨烯的光学性能

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光具有优异的光学性能。理论和实验结果表明,单层石墨烯吸收2.3%的可见光,即透过率为97.7%。从基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率依次相差2.3%,因此可以根据石墨烯薄膜的可见光透射率来估算其层数。结合非交互狄拉克-费米子理论,模拟石墨烯的透射率,可以得出与实验数据相符的结果。

根据折射和干涉原理,不同层数的石墨烯在光学显微镜下会显示出不同的颜色和对比度,为石墨烯层数的辨别提供了方便。

理论和实验表明大面积石墨烯薄膜同样具有优异的光学性能,且其光学特性岁石墨烯的厚度发生变化。石墨烯薄膜是一种典型的透明导电薄膜,可以取代氧化铟锡(ITO)、掺氟氧化铟(FTO)等传统薄膜材料,即可克服ITO薄膜的脆性缺点,也可解决铟资源稀缺对应用的限制等诸多问题。石墨烯透明导电薄膜可作为染料敏化太阳能电池和液晶设备的窗口层电极。

另外,当入射光的强度超过某一临界值时,石墨烯对其的吸收会达到饱和。这一非线性光学行为成为饱和吸收。在近红外光谱区,在强光辐照下,由于其宽波段吸收和零带隙的特点,石墨烯会慢慢接近饱和吸收。利用这一性质,石墨烯可用于超快速光子学,如光纤激光器等。

 

3.2 石墨烯的电学性能

石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化,并贡献剩余一个p轨道电子形成π键,π电子可以自由移动,赋予石墨烯优异的导电性。由于原子间作用力非常强,在常温下,即使周围碳原子发生碰撞,石墨烯中的电子收到的干扰也很小。电子在石墨烯中传输时不易发生散射,传输效率1.5×105cm2/( V·s),为硅中电子迁移率的140倍。其电导率可达106s/m,而电阻率只约10-6Ω·cm,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低,电子迁移的速度极快,因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。人们发现,石墨烯具有非同寻常的导电性能,超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性,它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中,电子能够极为高效地迁移,而传统的半导体和导体,例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞,传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量,2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费72%-81%的电能,石墨烯则不同,它的电子能量不会被损耗,这使它具有了非比寻常的优良特性。

 

3.3 石墨烯的力学性能

石墨烯是一直材料中强度和硬度最高的晶体结构。其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa1.1TPa。石墨烯的强度极限为42N/m2。理想石墨烯的强度约为普通钢的100倍,面积为1m2的石墨烯层片可承受4kg的质量。石墨烯可作为一种典型的二维增强材料,在复合材料领域具有潜在的应用价值。

 

3.4 石墨烯的热学性能

石墨烯的强度比金刚石还要硬,在高温下,还能保持其原有的形态,从这一点就震撼了物理界,主要是因为石墨烯内碳原子排列是有规有律的,当施加外力作用于石墨烯时,内部的碳原子不会发生位移,只是发生了弯曲变形,就可以抵制外力,保证自己的稳定性。

石墨烯的室温热导率是室温下铜的热导率的10倍多,导热系数高5300W/m•K,高于碳纳米管和金刚石。石墨烯的理论比表面积可达2630m2/g,用石墨烯支撑的微传感器可以感应单个原子或分子,当气体附着或脱离石墨烯表面时,吸附的分子改变了石墨烯的局部载流子浓度,导致电阻发生阶跃型变化。这一特性可用于制作气体传感器。理论计算表明,石墨烯与锂可形成多孔复合结构,具有极强的氢气储存能力。

 

3.5 石墨烯的磁学性能

石墨烯氢化以后往往会具有铁磁性,主要是由于石墨烯在氢化以后,在边缘处有孤对电子对,这样就使得石墨烯有磁性。研究人员还在有磁场的情况下,做过通过改变温度,看能否让石墨烯的磁性有所变化。确定磁场强度为1T,当温度T<90K 时,石墨烯会表现出顺磁特性;当温度T>90K 时,石墨烯会呈现出了反磁特性。

 

3.6 石墨烯的化学性能

石墨烯的电子性质受到了广泛关注,然而石墨烯的化学性质却一直无人问津,至今关于石墨烯化学性能我们只知道的是:石墨烯可以将周围的原子和分子进行有序的吸附(例如:二氧化氮,氨,钾),这条性质和我们所认知的活性炭有些相似。二氧化氮,氨,钾往往是被作为给体或受体,使得石墨烯内部的碳原子浓度发生变化,然而石墨烯本身就是一种导电材料。其它的吸附物,如氢离子和氢氧根离子则会产生导电性很差的衍生物,但这些都不是新的化合物,只是石墨烯装饰不同吸附物而已。由于石墨烯和石墨都是碳的同素异形体,从化学的角度上来看,往往它们具有一些相同的性质,所以在一些石墨烯不熟悉的领域可以通过石墨来进行相应的实验,来发现石墨烯的规律,有了这条比较简单又方便的思想,在未来,石墨烯更多的化学性质将会被挖掘出来。

石墨烯的光学、电学、力学以及热学特性示意图