小论文石墨烯.docx
- 文档编号:10213095
- 上传时间:2023-02-09
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:31.16KB
小论文石墨烯.docx
《小论文石墨烯.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《小论文石墨烯.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
小论文石墨烯
石墨烯
摘要:
自石墨烯发现以来,越来越受到科研工作者的热捧。
本文介绍了石墨烯的制备、结构、性能及应用、表征和研究现状,并且对石墨烯的研究趋势提出展望。
关键词:
石墨烯;制备;性能;应用;发展趋势
概述
一直以来,科学家们认为,单层的石墨烯是不可稳定能存在的。
人们错误的认为,将石墨烯从石墨上剥离下来的力足以破坏石墨烯的结构,而且固体的熔点随着粒子粒度的减小是要大大降低的,当减小到几个原子层厚时,固体将熔化。
另外,在二维晶体中由于内能的存在,使原子的振动幅度很大,因此原子的错位将相当严重的,这将导致原子与未与它成键的原子间的距离的大小和与它成键的原子间的距离的大小几乎相同,因此不能保持单层的结构。
英国Manchester大学的Geim教授在理论上不可行的情况下依然进行了偿试,他从2002年开始寻找石墨烯。
人们通常用胶带粘附的方法来获得石墨的单晶面,Geim教授设想把这种方法发展到极限,他很快便制得了十个分子厚度的石墨,于是他偿试着再去掉九层,并最终成功了,他的团队成功得到了单层的石墨烯,并在2004年的《Nature》上发表了关于石墨烯的研究成果[1]。
在那篇论文中,他把石墨烯放在了硅片上,接上电极,研究了不同电位下石墨烯的带电情况,石墨烯的发现在纳米科技上是有划时代的意义的。
石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景.正因为如此,石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯的结构
石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建其它维度碳质材料(如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨)的基本单元,如图1所示。
石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。
在单层石墨烯中,碳碳键长为0.142nm,厚度只有0.334nm。
石墨烯是呈二维结构的,但实际上并不是平坦的,而是波状的。
在一个两层体系中,这种起伏不是很明显,在多层体系中会完全消失。
石墨烯中每一个碳原子与周围的三个碳原子之间以特殊的单键相连,剩余的一个电子可以自由移动,因此石墨烯是可以导电的。
从某种程度上理解,可以认为,整个石墨烯片层形成一个大π键。
图1石墨烯的结构
石墨烯的制备方法
众所周知,石墨是三维层状晶体,这一晶体是由一层一层的二维石墨烯堆垛而成,通过层层剥离,人们制得了单层的石墨烯,这一惊奇的的发现,令人信服地看到:
二维材料的确可以在通常状态下存在,而无须借助于其它非常手段。
机械剥离法虽然能够制得高质量石墨烯,但这种方法存在很大的局限性:
这样得到的石墨烯受原始石墨质量的影响,同时这种石墨烯一般缺陷较多,因而获得的均匀层数石墨烯面积较小,一般只有微米级[2,3]。
到目前为止的最高水平也只有100微米级。
为了得到大面积、层数均匀可控的高质量石墨烯,人们向更高水平的制备方法发起了冲击。
美国deHeer小组的Berg等采用热分解的方法[4,5],制备出了高迁移率的小面积石墨烯。
此后,尽管这种方法仅能制备出纳米量级的石墨烯,但是受到了广泛的普遍重视,为了克服其均匀形核岛状生长,Hupalo等[6]将热分解法进行了扩展。
在超高真空状态下,升高温度到1000℃以上,每隔几度就等温30秒,经过数次等温,得到了面积更大的石墨烯薄膜,层数相对较为均匀。
2009年,Emtsev等[7]通过调节碳化硅热分解时的氩气压力到1bar,得到了与Hupalo等相似的结果。
Sutter[8],Coraux等[9]分别利用热分离法在金属衬底上外延生长出了达100μm量级的高度有序的石墨烯。
Kim等[10]在金属衬底上沉积有机层再沉积Ni膜,利用含碳气相在Ni表面催化生长,得到了面积达厘米量级的石墨烯。
尽管这些石墨烯层数厚,属于多晶,但这种利用金属催化法生长石墨烯的方法,为石墨烯的成功转移开拓了一种新的方向。
斯坦福大学戴宏杰课题组用化学插层裂解方法获得不同宽度的石墨烯纳米条带[11],发现宽度小于10nm的石墨烯条带可以制备出场效应管,开关比达7个数量级。
石墨烯纳米条带具有量子限域效应,被用来制作量子点,条带之间存在选择隧穿规律。
但目前国际上制备出的石墨烯条带裁剪尚不能精确控制,缺陷和杂质等不可避免。
这激发人们利用各种实验手段(如STM的针尖,刻蚀,外延生长和化学合成等)制备高质量石墨烯纳米条带。
下面详细深入的介绍一下石墨烯的制备方法。
微机械分离法
最普通的是微机械分离法,直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。
2004年Novoselov等用这种方法制备出了单层石墨烯,并可以在外界环境下稳定存在。
机械剥离法是最初用于制备石墨烯的物理方法。
首先将高定向热解石墨HOPG(highly-orientedpyrolyticgraphite)置于氧离子束中轰击,去掉表面污染物。
随后有两种制备工艺可以选择,一是再采用胶带反复互粘,直到胶带纸上剩余的石墨层仅有几个原子层厚度,最后将带有100或300nmSiO2层的硅单晶在一定压力下紧压在胶带表面,获得层数较小的石墨烯。
二是在表面离子侵蚀后,将HOPG表面与覆盖有感光树脂的玻璃片紧密压实并在一定温度下烘烤直到二者粘接在一起,此时取下HOPG,会有部分石墨在感光树脂表面存留,再用胶带反复粘去感光树脂上的石墨,最后将留在树脂表面的石墨在酒精中溶解。
稀释成悬浮有石墨烯的溶液,再用表面覆盖有100或300nm厚SiO2层的硅单晶捞取[1]。
这种方法的优点是简单,不易产生结构缺陷,易保持分子结构;缺点是:
这等同于“手工活”,费时费力,难以精确控制,其尺寸不易控制,无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本,难于大规模制备。
金属衬底外延法
继成功剥离石墨烯之后,为了积极探求生长高质量大面积石墨烯,AlphaT.N’Diaye等探索了在Ir基底上外延生长石墨烯的新方法[12]。
通过将乙烯分子吸附在Ir衬底表面,在高温(约1450℃)热分解,获得了高质量的石墨烯,均匀分布在衬底表面。
这种方法获得了较高质量的石墨烯,石墨烯层数很薄且结晶很好,然而仍然存在以下几个缺点:
首先是石墨烯单晶片的面积仅有100nm左右,其次是Ir很容易从衬底蒸发,并进一步在石墨烯表层重新结晶,这一过程严重影响了石墨烯的质量,并且使得下一步将石墨烯剥离金属衬底更加困难。
为了克服以上者几个缺点,文献[13-16]改变金属Ir为Ru,得到的石墨烯不但质量很高,且石墨烯沿台阶连续分布,面积达毫米量级[14,15].
然而,金属衬底上的石墨烯是需要从衬底剥离才能作为母材制备器件,这在应用中存在很大的挑战。
催化剂法
为了使得制备的大面积石墨烯可以方便从衬底剥离,人们将过渡金属上的外延改成在其它衬底上镀上一层金属薄膜作为石墨烯成型的催化剂[17-19],这种方法不但能够促进石墨烯的形成,而且在镀膜过程中方便图案化石墨烯,并在随后的过程中将金属催化剂洗去,方便石墨烯从衬底剥离。
然而这种方法获得的石墨烯层数不能控制,很不均匀,并且多为多晶石墨烯,这就导致石墨烯的输运性质受到了很大的限制,载流子迁移率仅为3700cm2V-1s-1,显然该方法制备的石墨烯缺陷很多,晶界和缺陷对电子有非常大的散射,使得石墨烯薄膜的应用受到很大的限制。
为此,文献[19]采用铜箔作为催化剂,获得的石墨烯层数均匀,且面积达厘米量级,然而载流子迁移率仍然不高仅为4050cm2V-1s-1,由此可见,金属催化剂很难制备出高质量完美石墨烯。
取向附生法—晶膜生长
取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯,首先让碳原子在1150℃下渗入钌,然后冷却,冷却到850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面,镜片形状的单层的碳原子“孤岛”布满了整个基质表面,最终它们可长成完整的一层石墨烯。
第一层覆盖80%后,第二层开始生长。
底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用,而第二层后就几乎与钌完全分离,只剩下弱电耦合,得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。
但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀,且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。
另外PeterW.Sutter等使用的基质是稀有金属钌。
化学剥离法
化学剥离是一种有望实现石墨烯低成本宏量制备的有效方法,但所制备的石墨烯大多为单层、双层和多层石墨烯的混合物。
基于对化学剥离方法制备石墨烯过程的分析,中科院金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室先进炭材料研究部成会明、任文才等提出了利用石墨原料的尺寸与结晶度不同来控制石墨烯层数的策略,宏量控制制备出单层、双层和三层占优的高质量石墨烯。
根据氢电弧放电反应温度高、可实现快速加热及原位还原的特点,他们采用电弧加热膨胀解理石墨以去除含氧官能团和愈合结构缺陷,进而提高了石墨烯的质量。
较普通快速加热方法,采用氢电弧方法制备的石墨烯的抗氧化温度提高了近100℃,导电率提高了近2个数量级,可达2*103S/cm。
化学分散法
化学分散法是将氧化石墨与水以1mg/mL的比例混合,用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质,加入适量肼在100℃回流24h,产生黑色颗粒状沉淀,过滤、烘干即得石墨烯。
SashaStankovich等利用化学分散法制得厚度为1nm左右的石墨烯。
氧化石墨还原法
采用氧化石墨还原法[20-24]可以大量制备石墨烯,产量很高,氧化石墨烯可以被氢气还原,制备方便,制备量可以很高,制备的石墨烯面积很大,层数可控,但质量很差。
此外人们采用石墨插层的方法[11,25],获得了大量的化学剥离的石墨烯片,在通过LB方法,可以获得大面积、层数可控的多晶石墨烯,然而这种石墨烯由于石墨烯片边缘的物理搭接,其输运性质很差,且载流子迁移率很低。
碳纳米管展开法
碳纳米管作为高质量石墨烯源,是理想的石墨烯条带的前驱物,一般来说,要制作石墨烯条带无外乎采用刻蚀法、化学法或声化学法,这些方法制备的石墨烯条带都不易控制石墨烯条带的边缘或宽度,且产量较小,产品率很低。
为此,文献[26]指出,采用碳纳米管氩离子溅射,打开碳纳米管,则通过控制时间可以得到边缘光滑的石墨烯条带;或者采用硫酸和高锰酸钾处理,也具有同样的效果。
这一方法得到的石墨烯条带具有很高应用价值,但是条带产量有限,且条带宽度也是不可控的。
碳化硅外延法
通过上面的介绍,基本能够看到,实际上高质量石墨烯的制备仍然是制约石墨烯研究和应用的瓶颈。
有一些显而易见的缺点始终不能有效克服,例如到目前为止,大面积生长高迁移率石墨烯的方法仍然在摸索之中。
自从2004年Geim等首次制得石墨烯以来,人们逐渐认识到研究石墨烯的电学性质涉及到两条路线,一条是研究剥离下来独立存在的石墨烯,一般被用来研究其基本性质,例如非零Berry相、弱反局域化等[2,27-31]。
另外一条是外延生长石墨烯,首先要解决的问题是,基底和石墨烯之间的相互作用对石墨烯中的能带结构或输运性质产生怎样的影响呢?
非常幸运的是,外延法生长的石墨烯和剥离的几乎相同,外延生长的石墨烯还有可能直接用来制备电子器件,这是剥离石墨烯所不能比拟的。
对于外延法生长,使用何种基底材料成为了首要问题,我们希望基底材料应该和石墨烯的晶格相互匹配,人们尝试了使用SiC和金属单晶如Ru或Ir等。
表面看来,SiC和石墨烯的晶格并不相互匹配,以4H-SiC为例,a=3.37Å,而石墨烯的a=2.46Å。
研究发现[31,32],SiC和石墨烯之间的平移矢量夹30º角时,晶格匹配便不是问题了。
对于零带隙的石墨烯来说,带隙调控的重要性不言而喻,近几年来,Zhou等[16]通过SiC基底对石墨烯的掺杂和在束缚条件下的对称性破缺来对带隙进行调控,这种方法简单易行,由此可以看出选择SiC作为外延石墨烯衬底是具有重要意义的。
C.Berger等通过热分解SiC的方法,在SiC单晶片上获得超薄的石墨烯,其电输运性能与碳纳米管接近,载流子所表现的性质与Dirac描述符合,通过选择性地调整每层载流子的浓度,将会引起Coulomb势的改变,最终引起了导带和价带间隙的可调控。
这是继2004年用石墨剥离法得到性质特异的石墨烯后的又一新的突破,这一制备方法为以后石墨烯的发展带来了新的契机。
通过这种加热方法得到的石墨烯尽管面积较小,但其输运性质很好,载流子迁移率达到了27000cm2V-1s-1,载流子扩散常数0.3m2/s,弹性平均自由程600nm,相相干长度在4k时为1.1m,在58K时,为500nm。
为了克服超高真空状态下,石墨烯的岛状生长,Hupalo等[33]将热分解法进行了扩展,在超高真空状态下,当温度升高到1300℃-1350℃时,每隔几度就等温30秒,经过数次等温,得到了面积较大的石墨烯薄膜,层数相对较为均匀。
Emtsev等[34],通过调节热分解时的氩气压力到1bar,也得到了相同的结果。
应该指出的是,这种改进的方法获得的石墨烯结构受到基底SiC台阶的限制,只是在理论上可以获得大面积的石墨烯结构,实质上获得的面积也仅能达微米量级。
一条以商品化碳化硅颗粒为原料,通过高温裂解规模制备高品质无支持(Freestanding)石墨烯材料的新途径。
通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制,可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。
这是一种非常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法。
石墨烯的性能及应用
它不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固坚硬;作为单质,它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。
石墨烯在原子尺度上结构非常特殊,必须用相对论量子物理学才能描绘。
石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。
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。
这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。
石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。
由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。
这让它在透明导电薄膜的应用中独具优势,而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。
另外,石墨烯在高灵敏度传感器和高性能储能器件方面也已经展示出诱人的应用前景。
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,或更准确地,应称为“载荷子”,的性质和相对论的中微子非常相似。
为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质,我们先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些了解。
经典物理学中,一个能量较低的电子遇到势垒的时候,如果能量不足以让它爬升到势垒的顶端,那它就只能待在这一侧;在量子力学中,电子在某种程度上是可以看作是分布在空间各处的波。
当它遇到势垒的时候,有可能以某种方式穿透过去,这种可能性是零到一之间的一个数;而当石墨烯中电子波以极快的速度运动到势垒前时,就需要用量子电动力学来解释。
量子电动力学作出了一个更加令人吃惊的预言:
电子波能百分百地出现在势垒的另一侧。
以下实验证实了量子电动力学的预言:
事先在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压(相当于一个势垒),然后测定石墨烯的电导率。
一般认为,增加了额外的势垒,电阻也会随之增加,但事实并非如此,因为所有的粒子都发生了量子隧道效应,通过率达100%。
这也解释了石墨烯的超强导电性:
相对论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。
另外,研究也发现,尽管只有单层原子厚度,但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对论性的体现。
美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近发现,铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体,竟然比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
这种物质为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门,让科学家梦寐以求的2.3万英里长(约合37000千米)太空电梯可能成为现实。
此外,石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。
而作为热导体,石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。
下面详细介绍一下石墨烯的具体应用。
透明电极
工业上已经商业化的透明薄膜材料是氧化铟锡(ITO),由于铟元素在地球上的含量有限,价格昂贵,尤其是毒性很大,使它的应用受到限制。
作为炭质材料的新星,石墨烯由于拥有低维度和在低密度的条件下能形成渗透电导网络的特点被认为是氧化铟锡的替代材料,石墨烯以制备工艺简单、成本低的优点为其商业化铺平了道路。
Mullen[35]研究组通过浸渍涂布法沉积被热退火还原的石墨烯,薄膜电阻为900Ω,透光率为70%,薄膜被做成了染料太阳能电池的正极,太阳能电池的能量转化效率为0.26%。
2009年,该研究组采用乙炔做还原气和碳源,采用高温还原方法制备了高电导率(1425S/cm)的石墨烯,为石墨烯作为导电玻璃的替代材料提供了可能。
传感器
电化学生物传感器技术结合了信息技术和生物技术,涉及化学、生物学、物理学和电子学等交叉学科。
石墨烯出现以后,研究者发现石墨烯为电子传输提供了二维环境和在边缘部分快速多相电子转移,这使它成为电化学生物传感器的理想材料。
Chen[36]等采用低温热退火的方法制备的石墨烯作为传感器的电极材料,在室温下可以检测到低浓度NO2,作者认为如果进一步提高石墨烯的质量,则会提高传感器对气体检测的灵敏度。
石墨烯在传感器方面表现出不同于其它材料的潜能,使越来越多的医学家关注它,目前石墨烯还被用于医学上检测多巴胺、葡萄糖等。
超级电容器
超级电容器是一个高效储存和传递能量的体系,它具有功率密度大,容量大,使用寿命长,经济环保等优点,被广泛应用于各种电源供应场所。
石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率,不像多孔碳材料电极要依赖孔的分布,这使它成为最有潜力的电极材料。
Chen等以石墨烯为电极材料制备的超级电容器功率密度为10kW/kg,能量密度为28.5Wh/kg,最大比电容为205F/g,而且经过1200次循环充放电测试后还保留90%的比电容,拥有较长的循环寿命。
石墨烯在超级电容器方面的潜在应用受到更多的研究者关注。
能源存储
众所周知,材料吸附氢气量和其比表面积成正比,石墨烯拥有质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点,使其成为储氢材料的最佳候选者。
希腊大学Froudakis等[37]设计了新型3D碳材料,孔径尺寸可调,他们将其称为石墨烯柱。
当这种新型碳材料掺杂了锂原子时,石墨烯柱的储氢量可达到6.1%(wt)。
Ataca等[38]用钙原子(Ca)掺杂石墨烯,利用第一性原理和从头算起的方法得到石墨烯被Ca原子掺杂后储氢量约为8.4%(wt);他们还发现氢分子的键能适合在室温下吸/放氢,Ca会留在石墨烯表面,有利于循环使用。
Ataca的研究结果又一次推动石墨烯储氢向前迈进一步。
复合材料
石墨烯独特的物理、化学和机械性能为复合材料的开发提供了原动力,可望开辟诸多新颖的应用领域,诸如新型导电高分子材料、多功能聚合物复合材料和高强度多孔陶瓷材料等。
Yan等[39]利用石墨烯的高比表面积和高的电子迁移率,制备了以石墨烯为支撑材料的聚苯胺石墨烯复合物,该复合物拥有高的比电容(1046F/g)远远大于纯聚苯胺的比电客115F/g。
石墨烯的加入提高了复合材料的多功能性和复合材料的加工性能等,为复合材料提供了更广阔的应用领域。
生物医药应用
由于石墨烯具有单原子层结构,其比表面积很大,非常适合用作药物载体。
Dai等[40]首先制备了具有生物相容性的聚乙二醇功能化的石墨烯,使石墨烯具有很好的水溶性,并且能够在血浆等生理环境下保持稳定分散;然后利用π-π相互作用首次成功地将抗肿瘤药物喜树碱衍生物(SN38)负载到石墨烯上,开启了石墨烯在生物医药方面的应用研究。
石墨烯的表征方法
石墨烯表征方法的建立是对其结构进行快速有效表征、控制制备及应用的前提和基础。
石墨烯的表征方法有:
原子力显微镜、光学显微镜、Raman光谱及总色差方法。
原子力显微镜(AFM)
由于单层石墨烯厚度只有0.335nm,在扫描电镜(SEM)中很难观察到,原子力显微镜是确定石墨烯结构最直接的办法。
光学显微镜
单层石墨烯附着在表面覆盖着一定厚度(300nm)的SiO2层Si晶片上,可以在光学显微镜下观测到。
这是因为单层石墨层和衬底对光线产生的干涉有一定得对比度。
受空气-石墨层-SiO2层间的界面影响。
Raman光谱
Roman光谱的形状、宽度和位置与其测试的物体层数有关,为测量石墨烯层数提供了一个高效率、无破坏的表征手段。
石墨烯和石墨本体一样在1580cm(G峰)和2700cm(2峰)2个位置有比较明显的吸收峰,相比石墨本体,石墨烯在1580cm处的吸收峰强度较低,而在2700cm处的吸收峰强度较高,并且不同层数的石墨烯在2700cm处的吸收峰位置略有移动。
总色差方法
成会明、任文才等在反射率计算的基础上,引入色度学空间概念,提出了快速、准确、无损表征石墨烯层数的总色差方法,解释了只有在特定基底上石墨烯可见的原因,并利用该方法对基底和光源进行了优化,提出并实验证实了更利于石墨烯光学表征的基底和光源,提高了光学表征的精度,为石墨烯层数的快速准确表征、控制制备及物性研究奠定了基础。
此外,针对目前石墨烯拉曼光谱信号弱、难以对其精细结构进行表征的难题,他们还发明了一种增强的拉曼散射技术,不仅可提高石墨烯拉曼光谱的信号强度,而且可获得普通拉曼光谱不能得到的石墨烯的精细结构特征。
国内石墨烯研究进展
当前,我国科研人员正在石墨烯领域开展积极探索。
随着其各种特性被陆续发现,相信不久的将来就可以投入大批量、低成本的工业化生产。
中科院物理所王恩哥研究员等采用剥离-再嵌入-扩张的方法,成功制备出高质量石墨烯,并通过LB(单分子或多分子层)膜组装技术制成大面积的透明导电膜,对石墨烯的大规模应用具有重要意义。
2008年12月7日在南开大学举行了“石墨烯/单层石墨研讨会”,就石墨烯/单层石墨研究现状和发展方向(制备、表征、性质及应用探索)进行了深入探讨,使我国在该领域向更高的学术和研究水平迈进。
2009年,中科院化学所的研究人员探索出一种制备图案化石墨烯的方法,并成功将其应用于有机场效应晶体管电极。
还是在2009年,中科院电工所马衍伟研究员等采用对苯二胺还原氧化石墨纳米片的方法,成功制备出高稳定性有机溶剂分散的石墨烯材料,并采用电泳沉积法获得了高导电性的石墨烯薄膜。
此方法制备的石墨烯分散性能好、产率高、导电性能好且成本低,有望应用于超级电容器和复合功能材料等领域。
此外,中科院兰州化物所也于2010年5月制备出石墨烯薄膜,满足了实际应用中低能耗、低成本和高产量的要求。
2006~2008年间,石墨烯已被制成弹道输运晶体管和平面场效应管,引起了研究人员的兴趣。
业内人士认为,石墨烯很可能首先应用于高频领域,如太赫兹微波成像等。
此外,凭借其很高的导电性和透光性,还可用于透明电极、触摸屏、液晶显示、有机光伏电池以及超级电容器等领域。
中科院数字与系统科学研究院的计算结果表明,石墨烯的理想强度为110~121GPa,意味着这是人类已知的最为牢固的材料,可作为添加剂广泛应用到高强度复合材料之中。
石墨烯的厚度只有0.335纳米,最突出的特性是电子传输速度极快,还具有很高的化学稳定性和热力学稳定性,有望取代硅在电子产品生产过程中得到广泛应用。
石墨烯的发展趋势及展望
在短短的几年间,石墨烯从一个新生儿快速成长为科学界的新星,自身优异的性能渐渐被发掘和开发,但在石墨烯的研究与应用中仍然存在很多挑战:
第一,如何大规模制备高质量石墨烯;第二,石墨烯的很多性质尚不清楚,如电子性能,磁性等;第三,探索石墨烯新的应用领域,目前最有前景的应用有晶体管、太阳能电池和传感器等,不同的应用领域对石墨烯的要求也不同;第四,开拓石墨烯和其它学科的交叉领域,探索石墨烯功能化的新性能。
目前有机化学家和材料化学家二者结合,致力于找到更好的合成路线,制备高质量的石墨烯。
工程师们也在为开发石墨烯
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 论文 石墨
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)