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石墨烯的发展历程
关注FOCUS我国石墨烯产业发展概况及展望■中国石墨烯产业技术创新联盟石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体,也就是只有一个碳原子厚度的单层石墨薄片(图1)
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石墨烯的发展历程
关注FOCUS我国石墨烯产业发展概况及展望■中国石墨烯产业技术创新联盟石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体,也就是只有一个碳原子厚度的单层石墨薄片(图1)
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发展概况及展望
■中国石墨烯产业技术创新联盟
石墨烯是一种由碳原子紧密堆
积构成的二维晶体,也就是只有一个碳原子厚度的单层石墨薄片(图1)。
由于其特殊的结构,它成为到目前为止人类已知的强度最高、韧性最好、质量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。也正因为如此,各国科技界和产业界均不遗余力地推动石墨烯在电子信息、新能源、照明、生物医用等各个领域的实际应用。
一、石墨烯结构及特性
在微观结构上,石墨烯是一种由
碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形
图1石墨烯
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FOCUS呈蜂巢晶格的平面薄膜结构,而在原子尺度上其结构十分特殊,只能用相对论量子力学才能描绘。由于结构上的特殊性,使得石墨烯拥有了其它材料所不具备的特殊性能,主要体现在以下几个方面:①超强导电性:由于石墨烯拥
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呈蜂巢晶格的平面薄膜结构,而在原
子尺度上其结构十分特殊,只能用相对论量子力学才能描绘。由于结构上的特殊性,使得石墨烯拥有了其它材料所不具备的特殊性能,主要体现在以下几个方面:
①超强导电性:由于石墨烯拥有完美的“二维”平面晶格结构,因此电子在晶格中移动时,不会因为晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。另外,由于石墨烯中碳原子之间作用力很强,使得运动中的电子受到的干扰极小,即使在周围碳原子发生碰撞时也是如此,因此电子具有非常快的运动速度(能够达到光速的1/300),远远超过了电子在其他金属导体或半导体中的运动速度,正因如此,石墨烯拥有超强的导电性能。
②超高强度:石墨烯的硬度高于金刚石,是目前为止人类已知的硬度最高的物质。由于高的硬度,石墨烯拥有很高的强度,其强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。而同时它又拥有很好的韧性,且可以弯曲。
③导热性能:石墨烯的导热性能优于碳纳米管。普通碳纳米管的导热系数可达3500W/m·K,各种金属中导热系数相对较高的有银、铜、金、铝,而单层石墨烯的导热系数可达5300W/m·K。优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超
大规模纳米集成电路的散热材料。
④超大比表面积:由于单层石墨
烯只有一个碳原子厚(),所以石墨烯拥有超大的比表面积。在理想情况下,单层石墨烯的比表面积能够达到2630m2/g,而目前普通的活性炭的比表面积为1500m2/g,石墨烯这种比表面积超大的特性使它在储能领域的应用潜力巨大。
会降低石墨烯特殊属性。化学气相
沉积(CVD)是目前工业上应用最广泛的一种规模化沉积半导体薄膜的制备技术,工艺简单,能够制备大面积石墨烯薄膜。但缺点是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵,使得综合制造成本偏高。
综上所述,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。表1列出了上述4种制备方法的对比,其中,氧化石墨还原法因为工艺较为简单,成本较低,相对更加容易量产,是目前生产石墨烯粉体材料的主流制备工艺。但该方法在制备过程中容易破坏石墨烯的分子结构,影响石墨烯的性能,而且得到的石墨烯粉体由于比表面积太大不易分散,团聚比较严重,因此采用该方法制备的最终产品的实际性能与理论值有很大差距。气相沉积法是石墨烯另一个相对较成熟的制备方法,主要用于制备石墨烯薄膜。这种方法依然有很多技术问题需要解决,如石墨烯的某些特殊属性(量子霍尔效应等),在气相沉积法制备的石墨烯中观察不到,说明气相沉积法的制备过程对石墨烯的结构完整性会有影响。目前气相沉积法制备的石墨烯片尺寸只有平方厘米的量级,
不能满足工业化应用的需求。
二、石墨烯的制造方法及对比
目前在工业上和实验室中制备石墨烯的方法主要有4种,分别是:微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法和气相沉积法。
其中,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,操作相对简单,但制作的石墨烯尺寸难以控制,不适合量产。外延生长法是以单晶碳化硅
(SiC)为原料,在超高温和超高真空的条件下蒸发除去硅原子,剩下的碳原子在原来的碳化硅单晶面上通过结构重排形成单层或多层石墨烯。这种方法可以得到尺寸较大、质量较高的单晶石墨烯,但工艺条件苛刻