一文透视未来“材料之王”——石墨烯

碳元素是构成整个自然界的基本元素,也是人们认识最早的一种元素,其独特的物理化学性质与不同的形态随着科技的不断进步和发展而逐渐被人们发现。

1985年零维结构富勒烯的发现和1991年二维结构碳纳米管的发现,使碳纳米材料在世界范围内引起了巨大的研究热潮。2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈K海姆教授和科斯佳诺沃谢洛夫研究员通过“微机械力分离法”,即通过微机械力从石墨晶体表面剥离石墨烯,首次制备出了石墨烯片层,并因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

石墨烯(Graphene)是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,其基本结构是由碳原子以sp2杂化键合形成的苯六元环。厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一,石墨烯的发现使碳材料家族更加充实完整,形成了包括:零维富勒烯,一维碳纳米管,二维石墨烯,三维金刚石和石墨的完整体系。

单原子层石墨烯与富勒烯、碳纳米管以及石墨的结构关系示意图,(a)石墨烯、(b)富勒烯、(c)碳纳米管、(d)石墨

石墨烯是构建其它维数碳质材料的基本单元,具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。

(1)石墨烯的强度是已知材料中最高的,达到了130Gpa,是钢的100多倍

(2)石墨烯具有很高的杨氏模量和热导率,达到1060Gpa和3000W/m/k。

(4)石墨烯特有的平面结构也使其拥有了奇特的电子结构和电学性质,其载流子迁移率达200000c㎡/v/s,超过商用硅片迁移率的10倍以上,所以石墨烯具有非常高的电导率,达6000S/cm。

(5)石墨烯还具有室温下的量子霍尔效应、双极性电场效应、反常量子霍尔效应等,使其在电子器件制造等领域具有了重要的应用,对高性能电子器件的发展起到了重要的推进作用。

制备氧化石墨的常用方法主要包括Brodie方法,Staudenmaier方法以及Hummers方法。基本原理:先用强酸处理原始石墨,得到石墨层间化合物,然后用强氧化剂对其进行氧化处理。

原始石墨是疏水的,经过氧化以后石墨表面会形成大量的含氧基团如羧基、羟基、环氧基等,从而使氧化石墨具有了水溶性,再经过超声振荡处理后就可以分散成氧化石墨烯。

氧化石墨烯因为存在含氧基团等缺陷破坏了它本身的电子结构,因此需要经过化学还原或热还原将含氧基团去掉,修复石墨烯表面的电子结构从而使其具有更优异的性能。

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