微米和纳米科技材料

世界最薄最坚硬的纳米材料石墨烯

#头条青云“叫好又叫座”作品征集#

石墨烯是目前世界上最薄但也是最坚硬的纳米材料,几乎完全透明,只吸收2.3%的光,导热系数高于纳米碳管和金刚石;电阻率比铜、银更低,是目前世界上电阻率最小的材料。简单地说,石墨烯就是一种透明、良好的导体,适合用来制造触控荧幕、光板甚至是太阳能电池。

世界最薄最坚硬的纳米材料石墨烯

2004年,英国曼切斯特大学物理学家安德烈·海姆康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功的通过实验在石墨中分理出石墨烯,并证实它可以单独存在,两人也因此获得2010年的诺贝尔物理学奖

2005年,曼切斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子是无质量迪拉克费米子,类似这样的发现开始引起一股石墨烯的研究热潮。从那时起,上百位品学兼优的研究者踏进这个崭新的领域

世界最薄最坚硬的纳米材料石墨烯

2008年,由机械剥离法制备得到的石墨烯是世界上最贵的材料之一。直接将石墨烯薄片从较大的晶体上裁剪下来,2004年海姆等人就是用了这种方法制备出了单层石墨烯,并可以在外界环境下单独存在。通过加热单晶碳化硅脱除硅,在单晶面上分解出石墨烯片层。使用强氧化剂,于石墨的层状结构中间进行插层氧化,使层与层之间存在带负电的氧化官能基,克服石墨间的范德华力,并通过水分子的插层,大幅增加层间距离,使氧化石墨烯的玻剥离更容易。

石墨烯良好的导电性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等,都需要良好的电导电极材料。特别是石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料优良。由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例,石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。

世界最薄最坚硬的纳米材料石墨烯

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的二维材料。石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子,分别位于A和B的晶格上。C原子外层3个电子通过sp²杂化形成强σ键(蓝),相邻两个键之间的夹角120°,第4个电子为公共,形成弱π键(紫)。石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm,每个晶格内有三个σ键,所有碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直,且以肩并肩的方式形成一个离域π键,其贯穿整个石墨烯。

世界最薄最坚硬的纳米材料石墨烯

石墨烯是富勒烯(0维)、碳纳米管(1维)、石墨(3维)的基本组成单元,可以被视为无限大的芳香族分子。形象来说,石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构,看上去就像由六边形网格构成的平面。每个碳原子通过sp²杂化与周围碳原子构成正六边形,每一个六边形单元实际上类似一个苯环,每一个碳原子都贡献一个未成键的电子,单层石墨烯的厚度仅为0.335nm,约为头发丝直径的二十万分之一。

石墨烯(Graphenes):是一种二维碳材料,是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。

石墨烯二维平面内每一个碳原子都以σ键同相邻的三个碳原子相连相邻两个键之间的夹角120°,键长约为0.142nm,这些C-C键使石墨烯具有良好的结构刚性,石墨烯是世界上已知的最牢固的材料其本征(断裂)强度可达130GPa,是钢的 100多倍杨氏(拉伸)模量为1100GPa。如此高强轻质的薄膜材料有望用于航空航天等众多领域。

世界最薄最坚硬的纳米材料石墨烯

石墨烯的每个晶格内有三个σ键,所有碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直,且以肩并肩的方式形成一个离域π键,其贯穿整个石墨烯。π电子在平面内可以自由移动使石墨烯具有良好的导电性石墨烯独特的结构使其具有室温半整数量子霍尔效应,双极性电场效应,超导电性,高载流子率等优异的电学性质,其载流子率在室温下可达到 1.5×10-1.S6m/s,是光速的1/300)越过禁带进入能量较高的空带,空带中存在电子后成为导带,价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位,成为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称为电子-空穴对,则电子,空穴能自由移动成为自由载流子。它们在外电场作用下产生定向运动形成宏观电流。

石墨烯是目前世界上最薄但也是最坚硬的纳米材料,几乎完全透明,只吸收2.3%的光,导热系数高于纳米碳管和金刚石;电阻率比铜、银更低,是目前世界上电阻率最小的材料。简单地说,石墨烯就是一种透明、良好的导体。

世界最薄最坚硬的纳米材料石墨烯

2004年,英国曼切斯特大学物理学家安德烈·海姆康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功的通过实验在石墨中分理出石墨烯,并证实它可以单独存在,两人也因此获得2010年的诺贝尔物理学奖

2005年,曼切斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子是无质量迪拉克费米子,类似这样的发现开始引起一股石墨烯的研究热潮。从那时起,上百位品学兼优的研究者踏进这个崭新的领域。

由于石墨烯特殊的那纳米结构和优异的物理化学性能,使其在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等领域应用前景广阔,被认为是21世纪的"未来材料"和"革命性材料",由此才兴起了石墨烯的热潮。

原创首发

你可能还喜欢

发表评论

您的电子邮件地址将不会发布。

此站点使用Akismet来减少垃圾评论。了解我们如何处理您的评论数据