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基本解释

  石墨烯-介绍

  石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料,是碳的二维结构。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米,把20万片薄膜叠加到一起,也只有一根头发丝那么厚。它是2004年由曼彻斯特大学的科斯提亚•诺沃谢夫和安德烈•盖姆小组首先发现的。目前有三种方法制备石墨烯,一种是加热SiC的方法,另一种是轻微摩擦法或撕胶带法,第三种是化学分散法。

  

石墨烯

  石墨烯-特性

  石墨烯是一种二维晶体,最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electric
charge carrier),的性质和相对论性的中微子非常相似。

  石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质,结构非常稳定。其完美的晶格结构,常被误认为很僵硬,但事实并非如此。石墨烯各个碳原子间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形。这样,碳原子就不需要重新排列来适应外力,这也就保证了石墨烯结构的稳定,使得石墨烯比金刚石还坚硬,同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。这种稳定的晶格结构还使石墨烯具有优秀的导电性。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。由于其原子间作用力非常强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。

  石墨烯被证实是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质。美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近发现,铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体,竟然比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。这种物质为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门,让科学家梦寐以求的2.3万英里长(约合37000千米)太空电梯可能成为现实。其厚度只有0.335纳米,把20万片薄膜叠加到一起,也只有一根头发丝那么厚。单层石墨烯几乎透明,其分子排列紧密,即使原子尺寸最小的氦也不能通过。美国机械工程师杰弗雷·基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度:如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上,然后试图用一支铅笔戳穿它,那么需要一头大象站在铅笔上,才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。

  石墨烯的另一特性是,其导电电子不仅能在晶格中无障碍地移动,而且速度极快,远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度。还有,其导热性超过现有一切已知物质。石墨烯的上述特性非常有利于超薄柔性OLED显示器的开发。据了解,韩国三星公司的研究人员已经制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。

  为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质,须先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些了解。

  经典物理学中,一个能量较低的电子遇到势垒的时候,如果能量不足以让它爬升到势垒的顶端,那它就只能待在这一侧;在量子力学中,电子在某种程度上是可以看作是分布在空间各处的波。当它遇到势垒的时候,有可能以某种方式穿透过去,这种可能性是零到一之间的一个数;而当石墨烯中电子波以极快的速度运动到势垒前时,就需要用量子电动力学来解释。量子电动力学作出了一个更加令人吃惊的预言:电子波能百分百地出现在势垒的另一侧。

  以下实验证实了量子电动力学的预言:事先在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压(相当于一个势垒),然后测定石墨烯的电导率。一般认为,增加了额外的势垒,电阻也会随之增加,但事实并非如此,因为所有的粒子都发生了量子隧道效应,通过率达100%。这也解释了石墨烯的超强导电性:相对论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。

  总结一下特性: 基于它的化学结构,石墨烯具有许多独特的物理化学性质,如高比表面积、高导电性、机械强度高、易于修饰及大规模生产等。

  石墨烯 - 应用

  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。

  1.可做“太空电梯”缆线

  据科学家称,地球上很容易找到石墨原料,而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质,它将拥有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣,甚至还为“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。

  人类通过“太空电梯”进入太空,所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料,美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。

  2.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。

  IBM宣布研发出号称全世界速度最快的石墨烯(graphene)场效晶体管(FET),可在26GHz频率下运作。该公司Thomas J.
Watson研究中心的研究人员并预测,碳元素更高的电子迁移率,可望使该种材料超越硅的极限,达到100GHz以上的速度跨入兆赫(terahertz)领域。

  石墨烯-获诺贝尔奖

  他们曾是师生,现在是同事,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·海姆和康斯坦丁·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,石墨烯比目前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。”

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