文档介绍：IT产品的未来硅时代的后继选手:石墨烯
酸梅汤有这样种材料,它和我们常见的材料结构不太相同。它是二维的,只有正反两面,分子结构单,全部由一种物质组成。虽然单一,但却不凡。这种材料的强度是迄今为止人类发现的最高强度材料之一,导电特性更是令人IT产品的未来硅时代的后继选手:石墨烯
酸梅汤有这样种材料,它和我们常见的材料结构不太相同。它是二维的,只有正反两面,分子结构单,全部由一种物质组成。虽然单一,但却不凡。这种材料的强度是迄今为止人类发现的最高强度材料之一,导电特性更是令人惊讶,甚至比任何常温下的金属导电能力都要出色。除此之外,它的高频率性能也很出色,由它制造出来的元件能达到300GHz的超高频率。它似乎天生就是为IT产品而生,它就是本期的主角:石墨烯。
烯是指“碳-碳双键”,这个词语最常出现在有机化学中。但近年来随着材料学研究的突破,“烯”就开始频繁出现在业内人士眼中――其中最为火爆的就是石墨烯。那么,这究竟是一种什么物质,它究竟有怎样的特性,能给我们的IT生活带来多大的改变呢?
二维物质,不凡的性能
从几何学角度来看,我们周围绝大部分物质的分子或者原子排列结构都是三维空间的。最常见的硅晶体是网状三维结构,其他的一些常见的化合物或者材料也是三维空间结构。那么,是否存在二维结构的物质?
之前科学家们几乎一致认为不存在纯粹二维结构的物质,这种理论甚至成为一时间的主流思维,但随后的一些发现却逐渐打破了这种说法。早在1948年,一些科学家就通过穿透式电子显微镜拍摄到了几层石墨烯的照片,当时有人认为这是一种全新的二维材料,但苦于分离困难等问题,―直无法分离出纯粹的单张石墨烯,自然也无从研究和证明其性能。这种情况―直持续到2004年,英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁’诺沃肖洛夫通过特殊手段成功分离出了这种二维结构的物质,第一次为人类带来这种奇妙的二维物质,这两位科学家也由此在2010年斩获诺贝尔物理学奖,登上了科学的巅峰。
石墨烯为什么有这么大的魅力呢?首先就是它的结构。石墨烯在微观结构上,是碳做顶点的六边形蜂巢状平面结构,是纯粹的二维物质。每一张石墨烯的厚度都只有一个碳原子那么厚。正是由于其特殊结构,石墨烯展现出非常强大的性能。其次,石墨烯的“碳一碳键”性能极为稳定,强度很高,再加上平面六边形结构稳定性也很好,因此在遭受外力拉扯和挤压的时候,石墨烯能够利用自身变形抵消部分应力,并且在稳定范围内保证本身结构不被破坏。石墨烯是目前发现的单位强度最强的物质之一,这令其在一些受力结构中能得到广泛应用。第三,由于石墨烯平面排布的特性,令其拥有卓越的导电能力,在石墨烯中运动的电子速度达到了光速的1/300,远远超过了在金属导体中运行的电子速度。第四,单层石墨烯很薄,透光率高达97%,在触摸屏等应用方面也有良好的前景,其他诸如超大容量电容等,也可以看到石墨烯的应用。
目前来看,石墨烯依旧是一种全新物质,对于它的特性和材料结构等研究,依旧是科学家们研究的重点。不过就现在的研究结果来看,石墨烯有希望带来下一次IT技术的更替,成为推动IT技术向前发展的新动力。
石墨烯的应用:超级特性推动信息技术
一种新材料诞生后,对它的应用研究在实验室中已经同步开始了。不过这种材料想要在实际生活中形成工业化生产的规模,还有很长的路要走,其中最主要的问题就是成本和大规模生产的便利性。对石墨烯来说,原材料成本并不高,目前主要使用石墨制造。但怎么从石墨中剥离出完整的石墨烯并将其加以应用,暂时还没有太好的手段。一直以来,科学家们都在致力于生产足够大面积的、足够少缺陷的成品石墨烯。早期科学家只能生产直径大约在1cm-10cm左右的石墨烯用于研究。随着技术进步,这个数据已经提升到76cm左右(约合30英寸)。在这种情况下,科学家已经可以开展一些对精度要求不高的研究了。因此,近年来科学家对石墨烯的产业化和产品化的研究速度相当快。
从已经提出的技术来看,石墨烯将可能主要给下列产业带来重大变革:
1、硅芯片制造、超高频率芯片、超大容量电容等元器件
2、电池和太阳能面板
3、OLED面板发展
4、触摸面板
当然,石墨烯的应用范围远远比我们所表述和所举的范围大得多。并且随着研究的进一步发展,石墨烯的一些特性将被继续深挖,还有更为令人惊喜的应用出现。本文主要介绍一些已经有基本雏形的研究成果或者商业化、工业化比较看好的应用,这并不代表石墨烯所有的潜力。
石墨烯给硅芯片带来高速革命
如果告诉你,未来CPU将可能运行在THz的级别,你会不会感到惊讶?回想―下第一颗1GHzCPU诞生到现在,CPU的主频也就提升了3倍左右(目前高端CPU的主频在3GHz出头)。而新加入了石墨烯材料的晶体管将比这个更新速度还要快百倍甚至千倍。从材料特性来看,由于石墨烯出色