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改变21世纪的神奇材料-石墨烯
目录
1、什么是石墨烯
2、石墨烯的发现及制备
3、石墨烯的应用
4、石墨烯的发展前景
1、什么是石墨烯
一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。
由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。
是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。
石墨烯几乎是完全透明的,%的光;
导热系数高达5300 W/m·K,高于碳纳米管和金刚石;
常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-8 Ω·m,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。
2、石墨烯的发现及制备
一直以来石墨烯被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov),成功地在实验里从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“二维石墨烯材料的开创性实验”,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
当时,他们发现能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。
石墨烯的制备方法:物理方法和化学方法
物理方法:机械剥离,印章切取转移印制,剖切碳纳米管等。
(1)机械剥离:利用是石墨层间结合强度较小的原理,用胶带粘附在高度取向的石墨表面,反复粘附撕开,最终获得单层石墨烯,难以精确控制,难以大规模制备。
机械剥离过程
化学方法:化学合成,碳化硅表面外延生长法,氧化还原法,化学气相沉积,取向附生等。
(1)化学合成法:以苯环或其他芳香体系为核,通过偶联反应,使苯环上六个碳被取代,相邻取代基之间脱氢形成新的芳香环,多步反应后芳香体系变大,形成石墨烯平面。难以合成大平面。
(2)碳化硅表面外延生长法:SiC经过氢气刻蚀处理后在高真空下电子束轰击加热,将表面的氧化物完全去除后,再将样品加热至1250-1450摄氏度,硅原子被释放,即可得到极薄的石墨烯层。
(3)氧化还原法:以氧化石墨烯为前驱体,通过还原得到单层或多层石墨烯。该法是最有希望实现规模化生产的方法。
(2)用于传感器
因为石墨烯极强的敏感性,可用于PH传感器,用于需要高速工作的通信设备,如太赫兹波成像探测隐藏的武器,在光电传感器检测光纤中携带的信息。
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光电传感器
光敏二极管
(3)石墨烯复合材料
现在关于石墨烯的论文,70%是关于石墨烯复合材料的,制备石墨烯复合材料在弹性,断裂强度和断裂能方面显著提高。关于其他方面的性能有待研究。
(4)其他,离子筛、超轻型飞机,超坚韧防弹衣,长太空电梯
长太空电梯构想图