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  • 石墨烯

    石墨烯是一种二维晶体,人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。石墨烯的最新发现是人们在防腐蚀方面最有效的方法。常用的聚合物涂层很容易被刮伤,降低了保护性能;而石墨烯来做保护膜,显著延缓了金属的腐蚀速度,更加坚固抗损伤。石墨烯不仅是电子产业的新星,应用于传统工业的前途也不可限量。其应用方向:海洋防腐、金属防腐、重防腐等领域。石墨烯具有良好的导热、导电性能。然而利用石墨烯其研制生产的柔性石墨烯散热薄膜能帮助现有笔记本电脑、智能手机LED显示屏等,石墨烯能有助于大大提升散热性能。

    编辑摘要
    百科帮你涨姿势

    电阻比铜更低 是世界上电阻率最小的材料 人类已知强度最高物质

    其内部碳原子面会弯曲使其结构稳定 并让该材料具有优秀的导热性

    拥有光吸收能力并将光波转化为激光 可用来制造耐高温激光发射器

    科学 +
    石墨烯

    公开资料显示,石墨烯是二维单层碳原子晶体材料,具有优异的力学、电学、热传导、阻隔性等材料性能,被称为“新材料之王”。[详细]

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 石墨烯 英文名: graphene
    构成: 碳原子构成 提取时间: 2004
    发现人: Geim、 Novoselov 电子迁移率: 15000cm2/(v s)
    杨氏模量: 1100GPa 断裂强度: 130GPa
    导热系数: 5000W/(m K) 理论比表面积: 2630m2/g
    可见光透过率: ≥97% 应用领域: 能源、材料、电子、生物医药
    厚度: 一个原子层
    • 婕~2012年7月18日,韩国化学技术研究所和首尔梨花女子大学,证明石墨烯作为一种高效的光催化剂可使人工光合作用系统的效率提升。

    目录

    简介/石墨烯 编辑

    石墨烯石墨烯

    据《“十二五”期间中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告前瞻》数据显示,2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线。2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯,为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。

    石墨烯是一种二维晶体,由碳原子按照六边形进行排布,相互连接,形成一个碳分子,其结构非常稳定;随着所连接的碳原子数量不断增多,这个二维的碳分子平面不断扩大,分子也不断变大。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度,即0.335纳米,相当于一根头发的20万分之一的厚度,1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一种材料,并且具有极高的比表面积、超强的导电性和强度等优点。上述优点的存在是其拥有良好的市场前景。

    石墨烯(Graphene)的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。它一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

    石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料 ,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%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15 000 cm2 /(V·s),又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-6 Ω·cm,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低,电子跑的速度极快,因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板,甚至是太阳能电池。

    发现历史/石墨烯 编辑

    石墨烯立基于石墨,厚度极小,300万片石墨烯堆叠在一起的厚度也不过1毫米300万片石墨烯堆叠在一起的厚度也不过1毫米

    20世纪初,X射线晶体学创立以来,科学家就已经开始接触石墨烯了。

    1918年,V. Kohlschütter和P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质(graphite oxide paper)。

    1948年,G. Ruess和F. Vogt发表了最早用穿透式电子显微镜拍摄的少层石墨烯图像。

    最初,科学家试着使用化学剥离法(chemical exfoliation method)来制造石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨,得到石墨层间化合物。在其三维结构中,每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过化学反应处理,除去嵌入的大原子或大分子后,会得到一堆石墨烯烂泥。由于难以分析与控制这堆烂泥的物理性质,科学家并没有继续这方面研究。

    2004年,曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子理工学院的两组物理团队共同合作,首先分离出单独石墨烯平面。海姆和团队成员偶然地发现了一种简单易行的制备石墨烯的新方法。他们将石墨片放置在塑料胶带中,折叠胶带粘住石墨薄片的两侧,撕开胶带,薄片也随之一分为二。不断重复这一过程,就可以得到越来越薄的石墨薄片,而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。

    2004年,康斯坦丁·诺沃肖罗夫教授和安德鲁-盖姆教授首次分离出石墨烯。他们利用胶带剥离石墨上的薄层,而后将其放在硅片上并借助显微镜进行观察以进行确认。

    2005年,曼彻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(quasiparticle)是无质量迪拉克费米子(Dirac fermion)。类似这样的发现引起一股研究石墨烯的热潮。

    结构/石墨烯 编辑

    石墨烯分散液石墨烯分散液

    石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构,它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube,CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite),因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环,是最理想的二维纳米材料。

    理想的石墨烯结构是平面六边形点阵,可以看做是一层被剥离的石墨分子,每个碳原子均为sp2杂化,并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键,π电子可以自由移动,赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看做是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。

    石墨烯的结构非常稳定,碳碳键(carbon-carbon bond)仅为1.42Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧,当施加外力于石墨烯时,碳原子面会弯曲变形,使得碳原子不必重新排列来适应外力,从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。

    科学家首次拍到单个分子的清晰照片,同时可看见把分子结构紧密连在一起的原子键。美国国际商用机器公司(IBM)设在瑞士苏黎世的研究实验室用一种名为“非接触式原子力显微术”的技术探索一个分子的内部情况,把分子和原子的研究推向最小。这项研究可能对石墨烯设备的研究具有重要意义。

    特性/石墨烯 编辑

    导电性

    石墨烯稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

    机械特性

    石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。他们选取了一些10—20微米的石墨烯微粒。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上,这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后,他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力,以测试它们的承受能力。

    在石墨烯样品微粒开始碎裂前,它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算,这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品。

    饱和吸收

    当输入的光波强度超过阈值时,这独特的吸收性质会开始变得饱和。这种非线性光学行为称为可饱和吸收,阈值称为饱和流畅性。给予强烈的可见光或近红外线激发,因为石墨烯的整体光波吸收和零能隙性质,石墨烯很容易就变得饱和。石墨烯可以用于光纤激光器的锁模运作。用石墨烯制备成的可饱和吸收器能够达成全频带锁模。由于这特殊性质,在超快光子学里,石墨烯有很广泛的应用空间。

    自旋传输

    科学家认为石墨烯会是理想的自旋电子学材料,因为其自旋-轨道作用很小,而且碳元素几乎没有核磁矩。使用非局域磁阻效应,可以测量出,在室温状况,自旋注入于石墨烯薄膜的可靠性很高,并且观测到自旋相干长度超过1微米。使用电闸,可以控制自旋电流的极性。

    电子的相互作用

    石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源(ALS)”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现,石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈,而且电子和电子之间也有很强的相互作用。

    制备方法/石墨烯 编辑

    撕胶带法/轻微摩擦法

    石墨烯的能带结构石墨烯的能带结构

    最普通的是微机械分离法,直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年,海姆等用这种方法制备出了单层石墨烯,并可以在外界环境下稳定存在。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦,体相石墨的表面会产生絮片状的晶体,在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是此法利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片,其尺寸不易控制,无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。

    取向附生法 取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯,首先让碳原子在1150℃下渗入钌,然后冷却,冷却到850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面,镜片形状的单层的碳原子布满了整个基质表面,最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖80%后,第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的相互作用,而第二层后就几乎与钌完全分离,只剩下弱电耦合,得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀,且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。

    碳化硅表面外延生长法 该法是通过加热单晶碳化硅脱除 ,在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。具体过程是:将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空 下通过电子轰击加热,除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后,将样品加热使之温度升高至1250~1450℃后恒温1~20min,从而形成极薄的石墨层。在C-terminated表面比较容易得到高达100层的多层石墨烯。其厚度由加热温度决定,制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。 

    氧化减薄石墨片法 石墨烯也可以通过加热氧化的办法一层一层地减薄石墨片,从而得到单、双层石墨烯。 

    肼还原法 将氧化石墨烯纸 置入纯 溶液(一种氢原子 与氮原子的化合物),这溶液会使氧化石墨烯 纸还原为单层石墨烯。

    切割碳纳米管法 切割碳纳米管也是制造石墨烯带的正在试验中的方法。其中一种方法用过锰酸钾和硫酸切开在溶液中的多层壁碳纳米管。另外一种方法使用等离子体刻蚀一部分嵌入于聚合物的纳米管。

    应用/石墨烯 编辑

    石墨烯制备的太阳能电池石墨烯制备的太阳能电池

    石墨烯的应用范围很广,从电子产品到防弹衣和造纸,甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。

    单分子气体侦测

    石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。这检测可以分为直接检测和间接检测。 通过穿透式电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程。通过测量霍尔效应方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时,吸附位置会发生电阻的局域变化。

    石墨烯纳米带

    石墨烯纳米带的二维结构具有高电导率、高热导率、低噪声,这些优良品质促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择,有可能替代铜金属。

    透明导电电极

    石墨烯良好的电导性能和透光性能,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,都需要良好的透明电导电极材料。特别是,石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良。由于氧化铟锡脆度较高,比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域 。

    通过化学气相沉积法,可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜,主要用于光伏器件的阳极,并得到高达1.71%能量转换效率;与用氧化铟锡材料制成的元件相比,大约为其能量转换效率的55.2%。

    导热材料/热界面材料

    2011年,美国佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)学者首先报道了垂直排列官能化多层石墨烯三维立体结构在热界面材料中的应用及其超高等效热导率和超低界面热阻

    场发射源及其真空电子器件

    科学家发现最薄单层石墨烯科学家发现最薄单层石墨烯

    2002年,垂直于基底表面的石墨烯纳米墙就被成功制备出来。它被看做是非常优良场致发射电子源材料。

    超级电容器

    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。

    石墨烯生物器件

    由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺吋厚度、分子闸极结构等等特色,应用于细菌侦测与诊断器件,石墨烯是个很优良的选择。科学家认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞,让DNA分子游过这纳米洞。由于DNA的四个碱基(A、 C、 G、T)会对于石墨烯的电导率有不同的影响,只要测量DNA分子通过时产生的微小电压差异,就可以知道到底是哪一个碱基正在游过纳米洞。这样就可以达成目的。

    抗菌物质

    中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效,而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性,则可能找到一系列新的应用,像自动除去气味的鞋子,或保存食品新鲜的包装。

    “太空电梯”缆线

    它为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员称,“太空电梯”的最大障碍之一,就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线,美国科学家证实,地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线。

    代替硅生产超级计算机

    据科学家称,石墨烯除了异常牢固外,还具有一系列独一无二的特性,石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料,这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品,能用来生产未来的超级计算机

    作人工光合作用高效催化剂

    2012年7月18日,韩国化学技术研究所和首尔梨花女子大学,证明石墨烯作为一种高效的光催化剂可使人工光合作用系统的效率提升,其同时展示了一个能直接将二氧化碳转换成太阳能化学物质或太阳能燃料的基准实例。科学家使用石墨烯作为光触媒,然后再加以卟啉酶,该物质可以把阳光和二氧化碳转换成甲酸,用于塑料行业的化学品和燃料电池的燃料。测试结果表明,基于石墨烯的光催化剂在可见光范畴下功能强大,其整体效益显著高于其他催化剂。

    用于锂离子电池技术

    2012年9月,美国伦斯勒理工学院的研究人员将世界上最薄的材料石墨烯制成一张纸,然后用激光或照相机闪光灯的闪光震击,将其弄成千疮百孔状,致使该片材内部结构间隔扩大,以允许更多的电解质“润湿”及锂离子电池中的锂离子获得高速率通道的性能。这种石墨烯阳极材料比如今锂离子电池中惯用的石墨阳极充电或放电速度快10倍,未来可驱动电动车。[1]

    2012年10月,中国金属所研制出以石墨烯为集流体的可快速充放电柔性锂离子电池。

    制作纳米变压器

    石墨烯“多层糕”石墨烯“多层糕”

    北京时间2012年10月15日物理学家组织网报道,英国曼彻斯特大学研究人员研究显示,把单原子层精确地堆叠起来,有望造出大量新型材料和设备,石墨烯及有关单原子厚度晶体为此提供了广阔的选择。他们将石墨烯和氮化硼的单原子层晶体一层压一层地堆叠起来,构建出一种“多层糕”,可作为纳米级的变压器。

    在手机中的应用

    2013年2月5日,诺基亚正式宣布成为石墨烯旗舰联盟(Graphene Flagship Consortium)的一员,并从欧盟的未来与新兴技术组织(FET)获得了13.5亿美元研究经费,该经费将用于石墨烯材料(Graphene)的研究。诺基亚对石墨烯材料的应用设想为:

    1、提升现有手机的性能、降低成本,例如取代在液晶显示器触控面板中广泛使用的透明ITO(氧化铟锡)导电层,以及用于其他高频电子元器件中;

    2、在未来的概念手机设计中(如诺基亚一直在开发的柔性手机),将石墨烯应用于线路板、柔性材料以及一体化多点感应平台。石墨烯使触摸屏包含一层50纳米厚的DLC防挂材料、一层700纳米厚的聚对二甲苯涂层、一层200纳米厚的石墨烯导电层、一层200微米厚的PET材料,整个触摸屏厚度仅为0.2毫米。此外,诺基亚还计划利用石墨烯研发触觉反馈设备,当手机屏幕上显示出一幅丝绸的图片,触摸屏幕时会有摸到丝绸的顺滑感觉。

    其它应用

    石墨烯应用石墨烯应用

    由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,因此还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域,同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带、食品包装甚至抗菌T恤;用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。

    中国发展现状/石墨烯 编辑

    我国石墨烯领域研发起步较晚,但发展较快,有潜在优势和后发优势。2013年7月13日,中国石墨烯产业技术创新战略联盟成立。

    同时,江苏、浙江、深圳、上海、山东、福建、辽宁、重庆、黑龙江与中科院等机构以多种形式协同创新,纷纷建立了产业技术联盟,促进了创新资源优化组合和创新产业化进程。2013年中科院重庆研究院研制出15英寸的单层石墨烯。

    2013年2月,无锡格菲电子薄膜科技公司研发出石墨烯电容式融屏手机。常州第六元素公司年产100吨粉体,宁波墨西科技公司年产300吨石墨烯粉体。2013年5月,常州二维碳素科技公司、无锡格菲电子薄膜科技公司、深圳合力光电传感公司联合江南石墨烯研究院在常州投产3万平方米石墨烯薄膜生产线。常州二维碳素科技公司研究出手机电容式触摸屏,盐城纳新天地科技有限公司2013年在盐城建设石墨烯产业集群,率先研究成功单层石墨烯改性材料,并与南车集团合作用于高铁。深圳贝特瑞新能源材料股份有限公司、无锡和青岛产业基地、中科院纳米中心、中科院微系统所、清华大学、华东理工大学、北京化工大学等都在石墨烯研发与产业化上做了大量的攻关,力求取得突破性的进展。

    2010年,江苏常州市委市政府决定投资5000万,成立江南石墨烯科技产业园,引进8个研发团队,其中5个为海归研发团队,建了11个专业研究室和分析测试中心,培养了7家企业,市值达到20亿元。2011年开始连续3年举办石墨烯发展高层论坛,努力建设产学研金一体化的石墨烯研究中心和新型创新产业集群,力争成为国际化的石墨烯产业发展先导区。[2]

    2015年,浙江大学高分子系实验室取得了这方面的一个重要突破,通过使用新型的铁系氧化剂取代传统氧化剂,实现了快速、低成本、无污染制备石墨烯的新技术,有望解决这种材料的大规模工业化生产难题。据悉,石墨烯在电子、光学等领域的前景极为广阔。生产实验数据显示,用新方法在1个小时之内,就能做出这样的单层氧化石墨烯,未来有望在工业领域大规模应用。[3]

    相关介绍/石墨烯 编辑

    总括

    重庆领跑石墨烯产业重庆领跑石墨烯产业

    2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线。2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯,为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。

    石墨烯行业仍在量产摸索阶段,主要的制备方法有微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法和气相沉积法;其中氧化石墨还原法优于制备成本相对较低,是主要制备方法。

    石墨烯良好的电导性能和透光性能,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,都需要良好的透明电导电极材料。特别是,石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良;氧化铟锡脆度较高,比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。通过化学气相沉积法,可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜,主要用于光伏器件的阳极,并得到高达1.71%能量转换效率;与用氧化铟锡材料制成的元件相比,大约为其能量转换效率的55.2%。作为新兴产业,前瞻网指出。石墨烯未来前途一片光明。

    石墨烯特殊的结构形态,使其具备目前世界上最硬、最薄的特征,同时也具有很强的韧性、导电性和导热性。这些及其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间,未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。《"十二五"期间中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告》称石墨烯集合世界上最优质的各种材料品质于一身,故有业内人士如此评价:如果说20世纪是硅的世纪,石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元,将给世界带来实质性变化。

    诺贝尔奖

    石墨烯应用范围广阔。根据石墨烯强度超大,超薄的特性,石墨烯可被广泛应用于各领域,比如超薄超轻型飞机材料,超轻防弹衣等。根据其优异的导电性,使它在微电子的领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来超级计算机,碳元素更高电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是优良的改性剂,在新能源领域如锂离子电池、超级电容器方面,由于其高传导性、高比表面积,可用于作为电极材料助剂。

    英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫两人于2010年获得诺贝尔物理学,他们曾是师生,也是同事,他们都出生于俄罗斯,都曾在那里学习,也曾一同在荷兰学习和研究,最后他们又一起在英国制备出了石墨烯。这种神奇材料的诞生使安德烈·海姆康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖

    海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯。这是目前世界上最薄的材料,仅有一个碳原子厚。与所有其他已知材料不同的是,石墨烯高度稳定,即使被切成1纳米宽的元件,导电性也很好。此外,石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体,石墨烯比任何其他材料的导热效果都好。

    海姆和诺沃肖洛夫认为,石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能,因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果要经得起时间考验,许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几十年后才颁发。而石墨烯材料的制备成功距今才6年时间,就获得了诺贝尔奖,这使诺沃肖洛夫感到意外。他说:“今天早上听说这个消息时,我非常惊喜,第一个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。”而海姆则表示,“我从没想过获诺贝尔奖,昨天晚上睡得很踏实”。

    海姆认为,获得诺贝尔奖的有两种人:一种是获奖后就停止了研究,至此终老一生再无成果;一种是生怕别人认为他是偶然获奖的,因此在工作上倍加努力。“我愿意成为第二种人,当然我会像平常一样走进办公室,继续努力工作,继续平常生活。”

    论坛

    石墨烯产业发展趋势及投资论坛于2013年7月13-14日在北京举办,并成立“中国石墨烯产业技术创新战略联盟”。此次论坛将围绕石墨烯制备技术,石墨烯引导哪些新兴产业链,石墨烯最具商业价值的应用领域,以及如何理性投资石墨烯产业等四大主题进行探讨。

    研究成果/石墨烯 编辑

    最小最快的晶体管

    2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管,该产品每秒能执行1550亿个循环操作,比之前的试验用晶体管快50%。该晶体管的截止频率为155GHz,使得其速度更快的同时,也比IBM2011年2月展出的100GHz石墨烯晶体管具备了更多的能力。IBM研究人员林育名表示,石墨烯晶体管成本较低,可以在标准半导体生产过程中表现出优良的性能,为石墨烯芯片的商业化生产提供了方向,从而用于无线通信、网络、雷达和影像等多个领域。

    该晶体管的研制是IBM承接美国国防部高级研究计划局的任务,研发高性能无线电频率晶体管,军方对此很感兴趣。它尚未可完全用于PC机,因为自然石墨烯中缺少能隙,石墨烯晶体管不具备数码切换操作需要的开闭比,从而在处理离散数码信号方面不如传统处理器。

    相比之下,石墨烯的连续能隙流使得其处理模拟信号的能力更强。通过使用IBM改良的“类金刚石碳”,石墨烯晶体管的温度稳定性更强。同时,它也是目前为止IBM最小的晶体管,选通脉冲宽度从550纳秒降到了40纳秒,而2011年的产品宽度为240纳秒。

    2009年12月1日在美国召开的材料科学国际会议上,日本富士通研究所宣布,他们用石墨烯制作出了几千个晶体管。富士通研究所的研究人员将原料气体吹向事先涂有用做催化剂的铁的衬底,在这种衬底上制成大面积石墨烯薄膜。

    大面积的石墨烯制备一直是个难题。富士通用上述方法制成了高质量的7.5厘米直径的石墨烯膜。在此基础上,再配置电极和绝缘层,制成了石墨烯晶体管。由于石墨烯面积较大,富士通在上面制成了几千个晶体管。石墨烯晶体管比硅晶体管功耗低和运行速度快,可制作出性能优良的半导体器件。如果改进技术后有望进一步扩大石墨烯面积,这样能够制作出更多的晶体管和石墨烯集成电路,为生产高档电子产品创造了条件。

    2009年11月日本东北大学与会津大学通过合作研究发现,石墨烯可产生太赫兹光的电磁波。研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜,将红外线照射到石墨烯薄膜上,只需很短时间就能放射出太赫兹光。如果今后能够继续改进技术,使光源强度进一步增大,将开发出高性能的激光器。

    研究团队在硅衬底上使用有机气体制作一层碳硅化合物。然后,进行热处理,使其生长出石墨烯的薄膜。该石墨烯薄膜只需极短暂的时间照射红外线,就能从石墨烯上发送出太赫兹光。该团队正致力于开发能将光粒封闭在内部,使光源强度增加的器件,期望能够开发出在接近室温条件下可工作的太赫兹激光器。

    2010年,美国莱斯大学利用该石墨烯量子点,制作单分子传感器。莱斯大学将石墨烯薄片与单层氦键合,形成石墨烷。石墨烷是绝缘体。氦使石墨烯由导体变换成为绝缘体。研究人员移除石墨烯薄片两面的氦原子岛,就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱。该导电的石墨烯阱就可作为量子阱。量子点的半导体特性要优于体硅材料器件。这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。

    全球最小光学调制器

    据美国媒体今晨报道,美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器,科学家表示,这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力,有望将互联网速度提高一万倍,一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究是由加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室的张翔教授、王枫助理教授以及博士后刘明等组成的研究团队共同完成的,研究论文将于2011年6月2日在英国《自然》杂志上发表。这项研究的突破点就在于,用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料,做成一个高速、对热不敏感,宽带、廉价和小尺寸的调制器,从而解决了业界长期未能解决的问题。

    华人科研团队将石墨烯铺展在一个硅波导管的顶部,建造出了这款能打开或关闭光束的光调制器(调制器是控制数据传输速度的关键),把电子信号转化成光学信号传输数字信息。铜导线长距离传输速度最高可达100兆,而每个石墨烯调制器的传输速度比铜导线快约千倍。如果把10个石墨烯调制器放在一起,传输速度可以达到百万兆,上网速度将比以前快1万倍。价廉物美是石墨烯调制器的另一优势,“目前市场上的光学调制器5250美元一个,而我们的石墨烯调制器只需要几美元”。 相对于现有调制器几个平方毫米的体积,这种石墨烯调制器还具有体积小的优势,只有25平方微米,且仅有头发丝的四百分之一细,它可以放在电脑主板上的任何位置。张翔教授表示,新石墨烯调制器不仅可用于消费电子产品上,还可用于任何受限于数据传输速度的领域,包括生物信息学以及天气预报等,未来也会广泛应用于工业领域。

    低成本石墨烯电池据了解,美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新型储能设备,可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。该研究发表在出版的《纳米快报》上。

    作为导电性、机械性能都很优异的材料,素来有“黑金子”之称的石墨烯在中国市场上的价格近十倍于黄金,超过2000元/克。

    新型石墨烯电池实验阶段的成功,无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛,而电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段,石墨烯储能设备的研制成功后,若能批量生产,则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。(科技日报)

    首款手机用石墨烯电容触摸屏研制成功

    2012年1月8日,江南石墨烯研究院对外发布,全球首款手机用石墨烯电容触摸屏在常州研制成功。该成果经上海科学技术情报研究所和厦门大学查实,显示为国内首创。

    江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技有限公司联合无锡丽格光电科技有限公司和深圳力合光电传感器技术有限公司共同研发的手机用石墨烯电容触摸屏项目,成功制成电容触摸屏手机样机,并完成了功能测试。这款透明到几乎用肉眼无法辨析的超级薄膜,具有现有智能手机触摸屏的基本功能,电容屏传感器整个触摸区域可以识别单指和双指触摸及进行画线动作,实现图片单指手势左右拖动及双指手势放大和旋转,而这只是石墨烯材料产品之一。

    据此前相关报道称,石墨烯的相关产品在国外还处于研发和概念机阶段,尚未有大规模制造及商业化。而此次首款手机用石墨烯电容触摸屏的成功研制,表明了石墨烯产品从实验室逐步走向了市场。

    光电传感器

    2012年8月,诺基亚的研发部门已经在着手研究石墨烯光电传感器,并且已经在美国专利和商标局注册了一项专利。在公布的专利描述中,带有石墨烯光电收集层的光电探测器/像素,由一些列手指状的电极被安置在石墨烯收集层上,用来收集光子透过时产生的电子空洞,石墨烯纳米带作为场效应晶体管对随之产生的电流进行放大,并将其转移到相连的电子控制元件上。多层探测和放大层被互相叠放,以此来吸收和过滤相应颜色的光。

    石墨烯作为光电传感器材料的优势就在于其透光性。这种单层的六边形碳原子材料仅仅吸收2.3%的光,并使所有光谱的光均匀地通过(红外线、可见光和紫外线)。因此,对于诺基亚的团队来说,这在光线不足的条件下肯定比传统的CMOS传感器具备更好的性能。同时,石墨烯传感器比传统传感器薄许多,因此你的下一个4100万像素的PureView手持设备肯定不会是像诺基亚808那样的大块头。此外,石墨烯传感器比CMOS在生产工艺和流程方面更简单,造价更便宜。

    石墨烯生产由于种种原因,还仅停留于实验室阶段,而用石墨烯制造的传感器,也表现出了照片响应差、噪音多等问题。因此诺基亚或许将在最近几年不断提升和研发这种石墨烯光电传感器的性能。

    世界上最薄的纳米材料,透光性好,能折叠

    据介绍,石墨烯是由碳原子组成的单原子层平面薄膜,可以作为制备新型触摸屏的核心部分――透明电极的材料。它究竟薄到哪种程度?中科院重庆研究院微纳制造与系统集成研究中心副主任史浩飞解释,石墨烯只有0.34纳米厚,粗略估计一下,一根头发丝的直径,大概等于十万层石墨烯叠加起来的厚度,所以用肉眼是看不见它的。它自身只吸收约2.3%的光,能够做到几乎完全透光,让触摸屏亮度更好,同时,还能保证很高的电导率,这对于过去那些触摸屏材料来说,是难以同时解决的。“过去认为钻石热导率最高,但是石墨烯是它的2倍。”

    值得一提的是,石墨烯还具备很好的柔性,也即是说,它在一定程度上可以弯曲折叠,不会对屏幕造成损害。

    “从这些优点来看,石墨烯特别适合在电子信息产业中应用。像IBM、三星这些大企业,都相当关注它的发展。”史浩飞说。

    成功制备7英寸的石墨烯触摸屏

    据悉,自2004年被发现以来,如何解决大面积、高质量石墨烯制备和快速高效转移两大关键问题,让石墨烯应用于透明电极中,一直困扰着很多研究者。“如果电阻触摸屏要采用这种材料,需要先在金属表面上催化生长石墨烯,再把它转移到适合的基底上,才能进行应用。”史浩飞告诉记者,这就相当于在一个足球场上铺一层薄薄的保鲜膜,要让它平平整整且完好无损,难度特别大。

    据介绍,通过“石墨烯透明电极关键技术”研究,他们采用工业原料如塑料、液态苯等作为有效碳源,在300℃的低温下生长出高质量的石墨烯。中科院重庆研究院已经在铜箔衬底上生长出15英寸的均匀单层石墨烯,并成功将其完整地转移到柔性PET衬底上和其他基底表面,并且通过进一步应用,还制备出了7英寸的石墨烯触摸屏。在中科院重庆研究院的实验室里,记者看到,研究人员将石墨烯触摸屏贴在一台普通笔记本电脑的显示屏上,调试完毕后,用手写笔就能轻松地在屏幕上写字。

    碳海绵:碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙的三维多孔材料

    2013年3月,浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶――它刷新了目前世界上最轻材料的纪录,弹性和吸油能力令人惊喜。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克,仅是空气密度的1/6。它的价值在于其简便的制备方法,以及材料所展现出来的优越性能。不需要模板,只与容器有关。容器多大,就可以制备多大,可以做到上千立方厘米,甚至更大。

    “碳海绵”具备高弹性,被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力,是迄今已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体,而“碳海绵”的吸收量是250倍左右,最高可达900倍,而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有机物的速度极快:每克这样的“碳海绵”每秒可以吸收68.8克有机物。

    纯石墨烯粉末制成柔性散热薄膜

    2013年4月2日,贵州新碳高科有限责任公司宣布研制成功出中国首个纯石墨烯粉末产品——柔性石墨烯散热薄膜。此次发布的中国首个石墨烯粉末应用产品“柔性石墨烯散热薄膜”,由贵州新碳高科有限责任公司研发和生产,由上海新池能源科技有限公司提供稳定的、量产规模的石墨烯粉末。新碳高科建立了年产2万平米生产线,已成功生产1000平方米石墨烯柔性散热薄膜产品。该产品采用了单片厚度1-5个原子层,横向尺寸0.5-5微米,比表面积500-1000m/g的高质量石墨烯粉末,通过制备高浓度不团聚的石墨烯溶液,利用辊涂技术(Roll to Roll)形成有良好定向性的石墨烯微片层状结构,然后在高温特定气氛下还原,使石墨烯微片边缘晶粒长大,最后扩展成为大面积连续二维结构的石墨烯柔性散热薄膜。产品热扩散率达到700-900M2/S,热导率在800-1600W/(mk)。其散热效果比常用的散热材料铜(热导率429W/(mk)要提高2-4倍,而且具有良好的可加工性能。

    作用/石墨烯 编辑

    1、石墨烯有抗菌物质:石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效,而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性,则可能找到一系列新的应用,像自动除去气味的鞋子,对有害菌导致的便秘进行快速消除,或保存食品新鲜的包装。

    2、石墨烯能够淡化海水:研究表明,石墨烯过滤器可能大幅度的胜过其他的海水淡化技术。如果能够与水分子分解发电技术结合,水、电就会成为非常廉价的产品。

    3、石墨烯能够作为太阳能电池:在甲烷气体中的镍板上,由首先沉积的碳原子形成石墨烯薄膜的形式。然后,在石墨烯层之上铺下一层热塑性保护层,并且在酸浴中溶解掉下面的镍。在最后的步骤中,把塑料保护的石墨烯附着到一个非常灵活的聚合物片材,它可以被纳入一个有机太阳能电池 (OPV电池, 石墨烯光伏电池)。石墨烯/聚合物片材已被生产,大小范围在150平方厘米,和可以用来生产灵活的有机太阳能电池 (OPV电池)。这可能最终有可能运行能覆盖广泛的地区的廉价太阳能电池,就像报纸印刷机的印刷报纸一样。

    4、石墨烯具备作为优秀的集成电路电子器件的理想性质。石墨烯具有高的载流子迁移率(carrier mobility),以及低噪声,允许它被用作在场效应晶体管的通道。问题是单层的石墨烯制造困难,更难作出适当的基板。

    根据2010年1月的一份报告中,对SiC外延生长石墨烯的数量和质量适合大规模生产的集成电路。在2011年6月,IBM的研究人员宣布,他们已经成功地创造了第一个石墨烯为基础的集成电路-宽带无线混频器。电路处理频率高达10 GHz,其性能不受温度可高达127摄氏度的影响。

    5、石墨烯可以用于超级电容器的导电电极,因石墨烯具有特高的表面面积对质量比例。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。

    6、石墨烯生物器件。由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺吋厚度、分子闸极结构等等特色,应用于细菌侦测与诊断器件。

    科学家希望能够发展出一种快速与便宜的快速电子DNA定序科技。它们认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。基本而言,他们想要用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞,让DNA分子游过这纳米洞。由于DNA的四个碱基(A、 C、 G、T)会对于石墨烯的电导率有不同的影响,只要测量DNA分子通过时产生的微小电压差异,就可以知道到底是哪一个碱基正在游过纳米洞。

    7、作为导热材料或者热界面材料。

    8、单分子气体侦测。石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。 通过穿透式电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程。通过测量霍尔效应方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时,吸附位置会发生电阻的局域变化。当然,这种效应也会发生于别种物质,但石墨烯具有高电导率和低噪声的优良品质,能够侦测这微小的电阻变化。

    中国标准/石墨烯 编辑

    中国石墨烯标准化委员会正式发布中国石墨烯第1号标准“石墨烯材料的名词术语与定义”,并于2014年1月1日起实施。该标准的主要起草单位为中科院金属所、东南大学、泰州石墨烯研究及检测平台、泰州巨纳新能源有限公司及中科院半导体所。该标准是国内乃至国际上首个明确给出石墨烯关键名词术语和定义的标准。该标准的发布将有利于我国石墨烯产业健康有序地发展,同时对我国抢占国际石墨烯标准制定的话语权具有非常重要的战略意义。

    随着对石墨烯研究和开发的不断深入,石墨烯的生产与应用逐步进入了产业化阶段。各石墨烯研究单位和企业在石墨烯的定义、性能、制备方法、检测表征方法等行业技术核心问题上尚未形成共识,这对石墨烯产业的发展和乃至上下游企业间的交流造成了不可忽视的影响。因此,发布石墨烯[4] 产业标准,加速石墨烯标准化工作进展,就显得尤其重要。

    此外国际石墨烯标准至今仍处于缺位状态,中国石墨烯第1号标准的发布,预示着中国石墨烯标准化工作已经走在世界的最前沿,届时石墨烯的中国标准更是有望晋升成为国际标准。

    中国科学技术大学教授吴恒安、博士王奉超与诺贝尔物理学奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授课题组合作,在石墨烯材料研究方面取得突破,有望实现海水的迅速淡化与净化。

    中国科技大学近代力学系教授吴恒安与英国曼彻斯特大学学者长期合作研究,最新发现表明,水环境中的氧化石墨烯薄膜与水相互作用后,会形成约0.9纳米宽的毛细通道,允许直径更小的离子或分子快速通过,而直径大于0.9纳米的离子被完全阻隔。也就是说,氧化石墨烯薄膜具有“快速精密筛选离子”的性能。

    吴恒安教授课题组采用理论分析和分子模拟方法,研究了石墨烯纳米通道快速过滤离子的机理。他们的计算机模拟研究表明,石墨烯与离子之间的相互作用使离子在纳米通道中聚集,从而促进了离子的快速扩散。这一发现合理解释了实验结果,也被称为“离子海绵效应”。

    专家称,如果通过机械手段进一步压缩薄膜中的毛细通道尺寸,将能高效率地过滤海水中的盐分。这意味着制造一个几分钟内可将一杯海水淡化成饮用水的过滤装置,有望成为现实。

    国际权威学术期刊《科学》刊登了这项研究成果,并展望评述认为,氧化石墨烯薄膜在众多分离应用中具有重要意义,比如在海水淡化与净化、传感技术以及能源转换等领域,具有广阔的应用前景。

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    诺贝尔奖

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    诺贝尔奖创立于1901年,是根据瑞典化学家诺贝尔的遗嘱及其部分遗产作为基金创立的。金质奖章、证书和奖金支票授予世界各国在经济、文学等领域对人类做出重大贡献的人士。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2012-09-04
    [2]^引用日期:2014-03-07
    [3]^引用日期:2015-02-11
    [4]^引用日期:2012-09-18
    扩展阅读
    1我科学家成功制备石墨烯铂复合材料
    2新加坡成功研发出石墨烯图像传感器
    3我国石墨烯研发和产业化的现状及政策建议

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