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什么是石墨烯?

文章来源:北科新材 浏览次数:45时间:2020-08-10 QQ学术交流群:1092348845

石墨烯是碳原子厚原子蜂窝片的名称。它是其他石墨材料的基础(由于典型的碳原子直径约为0.33纳米,因此1毫米石墨中约有300万层石墨烯)。
比钻石硬,但比橡胶更弹性;比钢坚硬,但比铝轻。石墨烯是最强的已知材料。
从角度来看:如果一块保鲜膜(如厨房保鲜膜)具有与原始的单层石墨烯相同的强度,则需要2000 kg的重物或大型汽车施加的力将其刺穿用铅笔。
石墨烯还具有其他令人惊奇的特性:其高电子迁移率比硅快100倍;它的导热性是钻石的2倍。它的电导率比铜好13倍;它仅吸收2.3%的反射光;它是不可渗透的,因此即使最小的原子(氦)也无法穿过无缺陷的单层石墨烯片。其高表面积为每克2630平方米,意味着少于3克,您可以覆盖整个足球场(嗯,实际上,您需要6克,因为2630 m 2 / g是两面的表面积石墨烯片)。
石墨烯是其他石墨材料的基本组成部分。它也代表了概念上只有一原子厚的一类新材料,即所谓的二维(2D)材料(之所以称为2D材料,是因为它们仅在两个维度上延伸:长度和宽度;因为该材料只有一个原子厚,则第三维(高度)被视为零)。
石墨烯对于制造混合尺寸的范德华异质结构也非常有吸引力,该异质结构可以通过将石墨烯与0D量子点或纳米颗粒,1D纳米结构(例如纳米线或碳纳米管)或3D本体材料进行杂交来实现。

石墨烯图

我们汇总了一个图表,总结了石墨烯的关键特性,事实和应用领域。单击以放大并随时嵌入和共享。
解释石墨烯的信息图-其性质,应用领域,受欢迎程度和风险方面
了解石墨烯(单击图像可放大)。下载为PDF(13.9 MB)。在您的网站上分享此图片:
石墨烯的非凡特性源自2p轨道,该轨道形成π状态带,这些状态带在构成石墨烯的碳片上离域。
石墨烯由于其卓越的性能的独特结合而成为最有前途的纳米材料之一:它不仅是最薄的材料,而且也是最坚固的材料。它的导热性能优于所有其他材料;它是电力的伟大导体。它是光学透明的,但密度如此之大,以至于它是不渗透气体的,即使最小的气体原子氦也无法通过。
这些惊人的特性及其多功能性使石墨烯适用于从电子到光学,传感器和生物设备的广泛应用。
石墨烯研究已经发展到一个广阔的领域,现在每年发表约10,000篇涉及广泛主题的科学论文。

石墨烯发现

碳有多种形式(所谓的同素异形体),从铅笔中的石墨到世界上最昂贵的钻石。在1980年,我们只知道三种基本形式的碳,即钻石,石墨和无定形碳。然后,发现了富勒烯和碳纳米管,2004年,石墨烯加入了该俱乐部。
曼彻斯特大学的两位物理学家安德烈·吉姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃塞洛夫(Konstantin Novoselov)于2004 首次发现石墨烯之前(他们于2010年获得了诺贝尔奖),科学家辩称严格来说2D晶体材料在热力学上是不稳定的,不可能存在。
在1947年,PR Wallace就已经对石墨烯进行了理论研究,将其作为固态物理计算的教科书示例。他预测了电子结构并注意到了线性色散关系。激励的波动方程由JW McClure于1956年写下,狄拉克方程的相似性由GW Semenoff于1984年讨论
在最初的实验中,Geim和Novoselov从一块普通铅笔中发现的石墨中提取了石墨烯。他们使用常规的胶带设法获得了只有一个原子厚度的碳薄片。机械剥离是最简单的制备方法,令人惊讶的是使独立石墨烯成为现实的方法。
观看有关石墨烯的精彩介绍视频

石墨烯的制造方法

石墨烯的质量起着至关重要的作用,因为石墨烯片材中存在缺陷,杂质,晶界,多个区域,结构紊乱,皱纹会对其电子和光学性能产生不利影响。
在电子应用中,主要的瓶颈是需要大尺寸的样品,这仅在CVD工艺的情况下才可能实现,但是很难生产出高质量的单晶石墨烯薄膜,该薄膜具有很高的电导率和导热率,并且具有出色的电导率。光学透明性。
通过常规方法合成石墨烯时需要关注的另一个问题是使用有毒化学物质,这些方法通常会产生危险废物和有毒气体。因此,需要开发通过遵循环保方法来生产石墨烯的绿色方法。
石墨烯的制备方法还应该允许具有复杂架构的石墨烯基器件的原位制造和集成,从而能够以较低的生产成本消除多步且费力的制造方法(阅读更多:“高质量石墨烯的批量生产:对全球专利的分析”)。
目前,可用于生产石墨烯的最常用技术如下图所示,包括微机械切割,化学气相沉积,在SiC衬底上外延生长,片状氧化石墨烯的化学还原,石墨的液相剥离(LPE)以及石墨烯的解压缩。碳纳米管。
但是,这些方法中的每一种都有其自身的优点和局限性,具体取决于其目标应用程序。为了克服石墨烯商业化的这些障碍,来自全球各地的各个研发机构,大学和公司的研究人员正在共同努力,以开发通过简单,环保的大规模生产低成本和高质量石墨烯的新方法。友好的方法。
研究人员已经设法在几乎任何平面上生产超过一英尺长的大型单晶状石墨烯薄膜,这是迈向商业化的一步。
但是,这里要大加警告:全球石墨烯生产似乎受到严重的质量问题的困扰,而且市场上似乎还没有ISO定义的高质量石墨烯。阅读更多:当心假石墨烯
石墨烯合成方法及其关键特性以及当前和将来的应用
该示意图显示了通常用于合成石墨烯的常规方法及其关键特征,以及当前和将来的应用。(图片:CKMNT)(点击图片放大)
在Nanowerk,我们保留了石墨烯制造商和供应商的最新列表,Nanowerk产品目录中,我们列出了100多种石墨烯产品

石墨烯性能

电子特性

致力于分子电子学的纳米技术研究人员对石墨烯如此兴奋的原因之一是其电子特性-它是地球上最好的导电体之一。石墨烯中碳原子的独特原子排列使其电子易于以极高的速度行进,而没有显着的散射机会,从而节省了通常在其他导体中损失的宝贵能量。
科学家发现,即使在标称载流子浓度为零的情况下,石墨烯仍具有导电能力,因为电子似乎没有减速或定位。在碳原子周围移动的电子与石墨烯的蜂窝状晶格的周期性电势相互作用,从而产生新的准粒子,这些准粒子失去了质量或静止质量(所谓的无质量狄拉克费米子)。这意味着石墨烯永远不会停止导电。还发现它们的行进速度比其他半导体中的电子快得多。

机械性能

石墨烯令人印象深刻的固有机械性能,其刚度,强度和韧性,是使石墨烯作为单独的材料和复合材料中的增强剂脱颖而出的原因之一。它们是由sp 2的稳定性引起的,sp 2键形成六边形晶格并抵抗各种平面内变形。
在这篇综述文章中可以找到有关石墨烯和石墨烯基纳米复合材料力学性能的详细讨论
刚性
实验和模拟得出的断裂力几乎相同,二阶弹性刚度的实验值等于340±50 N m -1假设有效厚度为0.335 nm,则该值对应于1.0±0.1 TPa的杨氏模量。
强度
无缺陷的单层石墨烯被认为是有史以来测试过的最坚固的材料,其强度为42 N m -1,其固有强度为130 GPa。
韧性
断裂韧性是与工程应用非常相关的特性,是石墨烯最重要的机械特性之一,并且以4.0±0.6 MPa的临界应力强度因子进行测量
全世界的研究小组正在致力于开发可工业制造的石墨烯片材,该片材在所有片材方向上均具有高强度和韧性,可用于各种用途,例如用于车辆,光电和神经植入物的石墨烯基复合材料
最新开发的利用石墨烯机械性能的消费产品示例是由意大利的Momodesign和意大利理工学院(IIT)开发Momo Evo石墨烯摩托车头盔。
这是有史以来第一个注入石墨烯的碳纤维头盔,该头盔利用了材料的薄,结实,导电,柔韧性和轻便的特性,创造了一种比普通头盔更好地吸收和消散冲击的头盔。它还可以更有效地散热,因此温度更低。
另一个例子是Dassi Interceptor™石墨烯自行车 -世界上第一个石墨烯自行车。用石墨烯增强碳纤维可以制造出比普通碳更坚固的更轻,更细的管。这意味着没有任何通常的重量牺牲的航空形状的框架。得益于其石墨烯增强的车架,这款自行车的重量减轻了30%,但强度和超劲度却提高了一倍。

石墨烯的用途和应用

储能和太阳能电池

石墨烯基纳米材料在与能源有关的领域中有许多有希望的应用只是最近的一些例子:石墨烯可提高可充电电池的能量容量和充电率活化石墨烯制成了超级超级电容器,用于储能 ; 石墨烯电极可能会导致一种有前途的制造廉价,轻便和灵活的太阳能电池的方法和多功能石墨烯垫是催化系统的前途的衬底
研究人员还发现,石墨烯作为电极的主体材料的化学/结构缺陷与其抑制树枝状晶体生长的能力之间存在着关键且出乎意料的关系。树枝状长丝沉积在电极上,可以穿透电极的两半之间的势垒。可能会导致电池短路,过热和起火(“无缺陷的石墨烯可能会解决锂金属电池的枝晶问题 ”)。
这些示例突出显示了石墨烯将对四个与能源相关的主要领域产生影响:太阳能电池,超级电容器,石墨烯电池以及燃料电池的催化作用。
由于其优异的电子传输性能和极高的载流子迁移率,石墨烯和其他其他直接带隙单层材料(例如过渡金属二硫化碳(TMDC)和黑磷)显示出巨大的潜力,可用于低成本,柔性且高效光伏设备。它们是先进太阳能电池最有前途的材料
一篇出色的评论文章(“基于石墨烯的纳米材料的化学方法及其在能源相关领域中的应用”)简要概述了有关化学和热方法在定义明确的基于石墨烯的纳米材料的生产及其应用中的最新研究。在能源相关领域。
作者指出,然而,在石墨烯基纳米材料和装置广泛用于商业用途之前,必须解决两个重要问题:一个是制备结构明确的石墨烯基纳米材料,另一个是可控的石墨烯制备。这些材料变成功能性装置。

传感器应用

功能化石墨烯在生物和化学传感器方面具有非凡的前景。研究人员已经表明,氧化石墨烯(GO)的独特2D结构与对水分子的超渗透性相结合,导致传感设备以前所未有的速度运行(“超快石墨烯传感器可在您讲话时监控您的呼吸”)。
科学家发现,化学蒸气会改变石墨烯晶体管的噪声谱,从而使它们能够通过一个由原始石墨烯制成的器件对多种蒸气进行选择性气体传感–无需对石墨烯表面进行功能化(“使用原始石墨烯进行选择性气体传感”) 。
一种很酷的方法是通过丝绸生物吸收将无源无线石墨烯纳米传感器连接到生物材料上,如牙齿上石墨烯纳米传感器纹身可监测口腔中的细菌
石墨烯无线传感器生物转移到牙齿表面
石墨烯无线传感器的生物图像已转移到牙齿表面。图片:普林斯顿大学McAlpine集团)
研究人员也已经开始研究石墨烯泡沫,即具有极高电导率的互连石墨烯片的三维结构。这些结构作为气体传感器(“石墨烯泡沫能够检测爆炸物,比今天的气体传感器排放更佳”)和生物传感器来检测疾病非常有前途(例如:“纳米技术生物传感器,用于检测帕金森氏病的生物标志物”)。

电子应用

石墨烯具有独特的性能组合,非常适合下一代电子产品,包括机械柔韧性,高电导率和化学稳定性。将其与喷墨打印相结合,您将获得一种廉价且可扩展的途径,以利用现实技术中的这些特性(“用于柔性电子设备的石墨烯的喷墨打印”)。
晶体管和内存
石墨烯最有前途的应用是在电子领域(作为晶体管和互连),检测器(作为传感器元件)和热管理(作为横向散热器)。首款同时具有底部和顶部栅极的石墨烯场效应晶体管(FET)已得到演示。同时,对于任何可用于模拟通信或数字应用的晶体管,电子低频噪声的电平都必须降低到可接受的水平(“石墨烯晶体管可以工作而不会产生很大的噪声”)。
基于石墨烯的晶体管被认为是当前使用的某些硅组件的潜在继任者。由于电子可以通过石墨烯移动的速度比通过硅移动的速度快,因此该材料具有实现太赫兹计算的潜力。
石墨烯器件的光学图片,该器件由在SiO2顶部经过光刻切割的石墨烯片制成,具有金电极和掺杂的Si背栅
石墨烯器件:石墨烯器件的光学图片,该器件由位于SiO 2顶部的光刻切割的石墨烯片制成,具有金电极和掺杂的Si背栅。(©IOP; AH Castro Neto和K Novoselov 2011 Rep.Prog.Phys.74082501)
在最终的纳米级晶体管(称为弹道晶体管)中,电子可以避免碰撞,即几乎没有阻碍的电流通过。弹道传导将使开关设备变得异常快。石墨烯具有在室温下启用防弹晶体管的潜力。
尽管石墨烯具有革新电子学和替代当前使用的硅材料(“具有高室温迁移率的高性能石墨烯晶体管”的潜力,但它确实有一个致命弱点:原始石墨烯是半金属的,并且缺乏必要的带隙充当晶体管。因此,有必要设计石墨烯中的带隙
实验已经证明了石墨烯作为闪存平台的好处,表明利用石墨烯的固有特性有可能超越当前闪存技术的性能。
灵活,可伸缩和可折叠的电子产品
柔性电子产品依赖于可弯曲的基板,而真正的可折叠电子产品则需要具有非常稳定导体的可折叠基板,该导体可以承受折叠(即,折叠点处的基板边缘会产生折痕,即使展开后仍会变形)。
这意味着,除了像纸这样的可折叠基板之外,沉积在该基板上的导体也需要可折叠。为此,研究人员展示了一种基于纸质基材的可折叠石墨烯电路的制造工艺
纸上石墨烯
应用程序的照片。a,b,c)在-180°折叠和180°折叠下在纸质基板上运行带有石墨烯电路的LED芯片。d)在三维电路板上的LED芯片阵列,包括负角折叠和正角折叠。e,f,g)折皱前后,纸基电路板上的LED芯片操作。(经Wiley-VCH Verlag许可转载)
石墨烯出色的导电性,强度和弹性也使其成为可拉伸电子产品的有希望的选择-一种旨在在柔性塑料基板上生产电路的技术,可用于可弯曲的太阳能电池或类似机器人的人造皮肤。
科学家已经设计出一种化学气相沉积(CVD)方法,可以将石墨烯片转变成具有极高电导率的多孔三维泡沫。通过用硅氧烷基聚合物渗透这种泡沫,研究人员制造了一种可以扭曲,拉伸和弯曲而不会损害其电气或机械性能的复合材料(“石墨烯:可拉伸电子产品的发泡”)。

光电探测器

研究人员证明,石墨烯可用于电信应用,而其微弱且通用的光学响应可能会转变为超快光子应用的优势。他们还发现,石墨烯有可能被用作具有饱和光吸收剂,其光学响应范围从紫外线,可见光,红外到太赫兹(“超快光子学中石墨烯的兴起”)。
在石墨烯用于光电子学方面有非常强烈的研究兴趣。以前已经实现了基于石墨烯的光电检测器,并且在10 GBit / s的光学数据链路(“用于高速光通信的石墨烯光电检测器”)中已经证明了石墨烯对高带宽光电检测的适用性
一种新颖的方法是基于将石墨烯集成到光学微腔中。腔内增加的电场幅度会导致更多能量被吸收,从而导致光响应显着增加(“微腔极大地增强了石墨烯光电探测器的光响应”)。

涂料层

用石墨烯涂覆物体可以达到不同的目的。例如,研究人员现已表明,可以使用石墨烯片材制成超疏水涂料,该涂料在静态和动态(液滴冲击)条件下均显示稳定的超疏水性,从而形成极强的拒水结构
掺杂锗表面
水滴的快照会影响涂有特氟龙涂层的石墨烯泡沫的表面。液滴撞击表面之前的撞击速度约为76厘米/秒。快照序列显示了液滴在撞击后的变形时间历史。液滴扩散,然后缩回并成功反弹离开表面。对于特氟隆涂层泡沫,恢复系数(即液滴撞击速度与喷射速度之比)约为0.37。(经Wiley-VCH Verlag许可转载)
石墨烯也是世界上最薄的用于保护金属不受腐蚀的涂层。人们发现,石墨烯,无论是直接在铜或镍上制成,还是转移到另一种金属上,均可提供抗腐蚀保护
研究人员证明了将石墨烯用作光子器件的透明导电涂层,并表明其高透明性和低电阻率使这种二维晶体非常适合液晶器件(LCD)中的电极
对研究人员有用的另一种新颖涂层应用是制造被单层石墨烯覆盖的聚合物AFM探针,以改善AFM探针的性能

其他用途

扩音器
石墨烯的非凡的电气和机械性能已被利用来创建非常有效的电/声换能器。这种实验性石墨烯扬声器,没有任何优化的声学设计,制造简单,并且已经可以与类似尺寸的商用扬声器媲美甚至更好,并且功耗低得多。
Artisanphonics CB-01Nanene®耳机功能在与石墨烯制成每个听筒隔膜膜,所以这是非常薄但具有相同的强度和耐久性作为常规膜。但是,由于它具有灵活性,因此可以更好地控制它,从而增强高音和低音。
生物技术与医学
最近的研究还指出,有机会用基于石墨烯的光热剂代替抗生素来捕获和杀死细菌。
在建立人造肌肉的数十年历史中,已经研究了许多材料是否适合执行器应用(驱动是材料在各种刺激作用下可逆地改变尺寸的能力)。除了人造肌肉,潜在的应用还包括微机电系统(MEMS),仿生微型机器人和纳米机器人以及微型流体设备。在实验中,科学家表明,石墨烯纳米带可以提供驱动作用
辐射屏蔽
石墨烯似乎是用于电磁干扰(EMI)屏蔽的最有效材料实验表明,通过单个或几个原子层的石墨烯制造超薄,透明,失重和柔性EMI屏蔽的可行性。
热管理
由于电子设备中功率密度的迅速提高,管理由此产生的热量已成为计算机和半导体设计中最关键的问题之一。实际上,散热已经成为纳米级电子传输的基本问题。
这就是石墨烯出现的地方–它的导热性比任何其他已知材料都要好(“‘凉‘的石墨烯可能是纳米电子学中热管理的理想选择”)。热界面材料(TIM)是热管理必不可少的成分,研究人员通过添加优化的石墨烯和多层石墨烯混合物,实现了TIM导热系数的创纪录提高(“石墨烯创下了热界面最有效的填充剂新纪录。材料”)。
该领域最近的一种消费产品是用于iPhone X,iPhone 8/8 Plus和iPhone 7/7 Plus NanoCase,其中包含一个石墨烯薄膜,该薄膜可以迅速消散手机内部的多余热量。
被称为NanoGtech™的石墨烯薄膜被应用在手机壳的内部。由于NanoGtech™材料与设备背面保持接触,因此可以有效地散发智能手机的热量。温度降低了,并且测试(根据制造商)表明,具有NanoGtech™的设备的使用寿命比没有NanoGtech™的设备的使用寿命长20%。
伪装
等离子隐身的概念基于使用超薄材料覆盖层来抑制来自被动物体的散射。研究表明,即使是单层原子,也具有石墨烯令人兴奋的导电性能,在平面和圆柱几何形状中都可以实现此功能。这使得单层石墨烯成为最薄的隐形斗篷
润滑方式
在过去的十年中,已开发出各种固体润滑剂材料,微/纳米图案和表面处理工艺,以在MEMS / NEMS应用中有效运行并延长使用寿命,并用于各种制造工艺,例如纳米压印光刻和转印。在微米级和纳米级应用固体润滑剂的重要考虑因素之一是润滑剂的厚度以及润滑剂沉积过程与目标产品的相容性。石墨烯具有原子薄且结构坚固,表面能低的特点,是这些应用的理想选择(“石墨烯-最薄的固体润滑剂”)。
净水
净化微咸水的一种相对较新的方法是电容去离子(CDI)技术。CDI的优点是它没有二次污染,具有成本效益和能源效率。研究人员已经开发出一种CDI应用程序,该应用程序使用类似石墨烯的纳米薄片作为电容性去离子电极。他们发现,石墨烯电极比常规使用的活性炭材料(“用石墨烯进行水脱盐”产生更好的CDI性能
信息来源:Nanowerk


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