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石墨烯性能及相關(guān)概念
發(fā)布時間:2021.10.09 | 閱讀量:6194


概念

石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯狹義上指單層石墨,厚度為0.335nm,僅有一層碳原子。但實際上,10層以內(nèi)的石墨結(jié)構(gòu)也可稱作石墨烯,而10層以上的則被稱為石墨薄膜。單層石墨烯是指只有一個碳原子層厚度的石墨,碳原子-碳原子之間依靠共價鍵相連接而形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。完美的石墨烯具有理想的二維晶體結(jié)構(gòu),由六邊形晶格組成,理論比表面積高達2.6×102 m2 /g。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能(3×103W/(m?K))和力學(xué)性能(1.06×103 GPa)。此外,石墨烯穩(wěn)定的正六邊形晶格結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的導(dǎo)電性,室溫下的電子遷移率高達1.5×104 cm2 /(V·s)。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)、突出的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和力學(xué)性能,引起科學(xué)界巨大興趣,成為材料科學(xué)研究熱點。

 

石墨烯結(jié)構(gòu)圖

 

石墨烯結(jié)構(gòu)

石墨烯指僅有一個原子尺度厚單層石墨層片,由 sp2 雜化的碳原子緊密排列而成的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)。石墨烯中碳 -碳鍵長約為 0.142nm。每個晶格內(nèi)有三個σ,連接十分牢固形成了穩(wěn)定的六邊狀。垂直于晶面方向上的π鍵在石墨烯導(dǎo)電的過程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳納米管、富勒烯的基本組成單元,可以將它看做一個無限大的芳香族分子,平面多環(huán)烴的極限情況就是石墨烯。

形象來說,石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu),看上去就像一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。在單層石墨烯中,每個碳原子通過 sp2 雜化與周圍碳原子成鍵給構(gòu)整流變形,每一個六邊單元實際上類似苯環(huán),碳原子都貢獻出個一個未成鍵電子。單層石墨烯厚度僅0.35nm ,約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。

石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,碳原子之間連接及其柔韌。受到外力時,碳原子面會發(fā)生彎曲變形,使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力,從而保證了自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

石墨烯是有限結(jié)構(gòu),能夠以納米級條帶形式存在。納米條帶中電荷橫向移動時會在中性點附近產(chǎn)生一個能量勢壘,勢壘隨條帶寬度的減小而增大。因此,通過控制石墨烯條帶的寬度便可以進一步得到需要的勢壘。這一特性是開發(fā)以石墨烯為基礎(chǔ)的電子器件的基礎(chǔ)。

 

石墨烯能帶結(jié)構(gòu)圖

石墨烯性能

石墨烯是一種超輕材料,面密度為0.77mg/m2,的主要性能是:一是具有超強的導(dǎo)電性。石墨烯的電子遷移率比納米碳管或硅晶體高,是硅的100倍,在室溫下可以達到15 000cm2 /( V·s) 。電阻率比鋁、銅和銀低很多,只有10 ~ 6Ω·cm 左右。二是具有超強的導(dǎo)熱性。石墨烯的導(dǎo)熱性能優(yōu)于碳納米管,是銅、鋁等金屬的數(shù)10倍,導(dǎo)熱系數(shù)高達5300W/m<span style="color: rgb(0, 0, 0); line-height: 150%; font-family: 宋體; font-size: 14pt;" mso-font-kerning:0.0000pt;mso-bidi-font-family:arial;"="">?K。三是具有超強的力學(xué)性,石墨烯的硬度超過金剛石,斷裂強度達到鋼鐵的100倍。四是具有超強的透光性。石墨烯的吸光率非常小,透光率高達97. 7%。五是具有超強的比表面積。石墨烯的比表面積每克比普通活性炭高出1130m2,達到2630m/g。

 

 

 

3.1 石墨烯的光學(xué)性能

石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料,它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光具有優(yōu)異的光學(xué)性能。理論和實驗結(jié)果表明,單層石墨烯吸收2.3%的可見光,即透過率為97.7%。從基底到單層石墨烯、雙層石墨烯的可見光透射率依次相差2.3%,因此可以根據(jù)石墨烯薄膜的可見光透射率來估算其層數(shù)。結(jié)合非交互狄拉克-費米子理論,模擬石墨烯的透射率,可以得出與實驗數(shù)據(jù)相符的結(jié)果。

根據(jù)折射和干涉原理,不同層數(shù)的石墨烯在光學(xué)顯微鏡下會顯示出不同的顏色和對比度,為石墨烯層數(shù)的辨別提供了方便。

理論和實驗表明大面積石墨烯薄膜同樣具有優(yōu)異的光學(xué)性能,且其光學(xué)特性歲石墨烯的厚度發(fā)生變化。石墨烯薄膜是一種典型的透明導(dǎo)電薄膜,可以取代氧化銦錫(ITO)、摻氟氧化銦(FTO)等傳統(tǒng)薄膜材料,即可克服ITO薄膜的脆性缺點,也可解決銦資源稀缺對應(yīng)用的限制等諸多問題。石墨烯透明導(dǎo)電薄膜可作為染料敏化太陽能電池和液晶設(shè)備的窗口層電極。

另外,當(dāng)入射光的強度超過某一臨界值時,石墨烯對其的吸收會達到飽和。這一非線性光學(xué)行為成為飽和吸收。在近紅外光譜區(qū),在強光輻照下,由于其寬波段吸收和零帶隙的特點,石墨烯會慢慢接近飽和吸收。利用這一性質(zhì),石墨烯可用于超快速光子學(xué),如光纖激光器等。

 

3.2 石墨烯的電學(xué)性能

石墨烯的每個碳原子均為sp2雜化,并貢獻剩余一個p軌道電子形成π鍵,π電子可以自由移動,賦予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性。由于原子間作用力非常強,在常溫下,即使周圍碳原子發(fā)生碰撞,石墨烯中的電子收到的干擾也很小。電子在石墨烯中傳輸時不易發(fā)生散射,傳輸效率1.5×105cm2/(V·s),為硅中電子遷移率的140倍。其電導(dǎo)率可達106s/m,而電阻率只約10-6Ω·cm,比銅或銀更低,為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低,電子遷移的速度極快,因此被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體,也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾。人們發(fā)現(xiàn),石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能,超出鋼鐵數(shù)十倍的強度和極好的透光性,它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中,電子能夠極為高效地遷移,而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體,例如硅和銅遠沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞,傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量,2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費72%-81%的電能,石墨烯則不同,它的電子能量不會被損耗,這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性。

 

3.3 石墨烯的力學(xué)性能

石墨烯是一直材料中強度和硬度最高的晶體結(jié)構(gòu)。其抗拉強度和彈性模量分別為125GPa1.1TPa。石墨烯的強度極限為42N/m2。理想石墨烯的強度約為普通鋼的100倍,面積為1m2的石墨烯層片可承受4kg的質(zhì)量。石墨烯可作為一種典型的二維增強材料,在復(fù)合材料領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

 

3.4石墨烯的熱學(xué)性能

石墨烯的強度比金剛石還要硬,在高溫下,還能保持其原有的形態(tài),從這一點就震撼了物理界,主要是因為石墨烯內(nèi)碳原子排列是有規(guī)有律的,當(dāng)施加外力作用于石墨烯時,內(nèi)部的碳原子不會發(fā)生位移,只是發(fā)生了彎曲變形,就可以抵制外力,保證自己的穩(wěn)定性。

石墨烯的室溫?zé)釋?dǎo)率是室溫下銅的熱導(dǎo)率的10倍多,導(dǎo)熱系數(shù)高5300W/m?K,高于碳納米管和金剛石。石墨烯的理論比表面積可達2630m2/g,用石墨烯支撐的微傳感器可以感應(yīng)單個原子或分子,當(dāng)氣體附著或脫離石墨烯表面時,吸附的分子改變了石墨烯的局部載流子濃度,導(dǎo)致電阻發(fā)生階躍型變化。這一特性可用于制作氣體傳感器。理論計算表明,石墨烯與鋰可形成多孔復(fù)合結(jié)構(gòu),具有極強的氫氣儲存能力。

 

3.5 石墨烯的磁學(xué)性能

石墨烯氫化以后往往會具有鐵磁性,主要是由于石墨烯在氫化以后,在邊緣處有孤對電子對,這樣就使得石墨烯有磁性。研究人員還在有磁場的情況下,做過通過改變溫度,看能否讓石墨烯的磁性有所變化。確定磁場強度為1T,當(dāng)溫度T<90K 時,石墨烯會表現(xiàn)出順磁特性;當(dāng)溫度T>90K 時,石墨烯會呈現(xiàn)出了反磁特性。

 

3.6 石墨烯的化學(xué)性能

石墨烯的電子性質(zhì)受到了廣泛關(guān)注,然而石墨烯的化學(xué)性質(zhì)卻一直無人問津,至今關(guān)于石墨烯化學(xué)性能我們只知道的是:石墨烯可以將周圍的原子和分子進行有序的吸附(例如:二氧化氮,氨,鉀),這條性質(zhì)和我們所認知的活性炭有些相似。二氧化氮,氨,鉀往往是被作為給體或受體,使得石墨烯內(nèi)部的碳原子濃度發(fā)生變化,然而石墨烯本身就是一種導(dǎo)電材料。其它的吸附物,如氫離子和氫氧根離子則會產(chǎn)生導(dǎo)電性很差的衍生物,但這些都不是新的化合物,只是石墨烯裝飾不同吸附物而已。由于石墨烯和石墨都是碳的同素異形體,從化學(xué)的角度上來看,往往它們具有一些相同的性質(zhì),所以在一些石墨烯不熟悉的領(lǐng)域可以通過石墨來進行相應(yīng)的實驗,來發(fā)現(xiàn)石墨烯的規(guī)律,有了這條比較簡單又方便的思想,在未來,石墨烯更多的化學(xué)性質(zhì)將會被挖掘出來。

 

石墨烯的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)以及熱學(xué)特性示意圖

 



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