石墨烯-介紹

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結構。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米，把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。它是2004年由曼徹斯特大學的科斯提亞?諾沃謝夫和安德烈?蓋姆小組首先發(fā)現的。目前有三種方法制備石墨烯，一種是加熱SiC的方法，另一種是輕微摩擦法或撕膠帶法，第三種是化學分散法。

石墨烯-特性

石墨烯是一種二維晶體，最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質和相對論性的中微子非常相似。

石墨烯是由碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質，結構非常穩(wěn)定。其完美的晶格結構，常被誤認為很僵硬，但事實并非如此。石墨烯各個碳原子間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形。這樣，碳原子就不需要重新排列來適應外力，這也就保證了石墨烯結構的穩(wěn)定，使得石墨烯比金剛石還堅硬，同時可以像拉橡膠一樣進行拉伸。這種穩(wěn)定的晶格結構還使石墨烯具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于其原子間作用力非常強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。

石墨烯被證實是世界上已經發(fā)現的最薄、最堅硬的物質。美國哥倫比亞大學兩名華裔科學家最近發(fā)現，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，竟然比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這種物質為“太空電梯”超韌纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門，讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長(約合37000千米)太空電梯可能成為現實。其厚度只有0.335納米，把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。單層石墨烯幾乎透明，其分子排列緊密，即使原子尺寸最小的氦也不能通過。美國機械工程師杰弗雷·基薩教授用一種形象的方法解釋了石墨烯的強度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上，才能戳穿只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層。

石墨烯的另一特性是，其導電電子不僅能在晶格中無障礙地移動，而且速度極快，遠遠超過了電子在金屬導體或半導體中的移動速度。還有，其導熱性超過現有一切已知物質。石墨烯的上述特性非常有利于超薄柔性OLED顯示器的開發(fā)。據了解，韓國三星公司的研究人員已經制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。

為了進一步說明石墨烯中的載荷子的特殊性質，須先對相對論量子力學或稱量子電動力學做一些了解。

經典物理學中，一個能量較低的電子遇到勢壘的時候，如果能量不足以讓它爬升到勢壘的頂端，那它就只能待在這一側;在量子力學中，電子在某種程度上是可以看作是分布在空間各處的波。當它遇到勢壘的時候，有可能以某種方式穿透過去，這種可能性是零到一之間的一個數;而當石墨烯中電子波以極快的速度運動到勢壘前時，就需要用量子電動力學來解釋。量子電動力學作出了一個更加令人吃驚的預言：電子波能百分百地出現在勢壘的另一側。

以下實驗證實了量子電動力學的預言：事先在一片石墨烯晶體上人為施加一個電壓(相當于一個勢壘)，然后測定石墨烯的電導率。一般認為，增加了額外的勢壘，電阻也會隨之增加，但事實并非如此，因為所有的粒子都發(fā)生了量子隧道效應，通過率達100%。這也解釋了石墨烯的超強導電性：相對論性的載荷子可以在其中完全自由地穿行。

總結一下特性：　基于它的化學結構，石墨烯具有許多獨特的物理化學性質，如高比表面積、高導電性、機械強度高、易于修飾及大規(guī)模生產等。

石墨烯 - 應用

石墨烯的應用范圍很廣，從電子產品到防彈衣和造紙，甚至未來的太空電梯都可以以石墨烯為原料。

1.可做“太空電梯”纜線

據科學家稱，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱是人類已知的強度最高的物質，它將擁有眾多令人神往的發(fā)展前景。它不僅可以開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、可以制造出超堅韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯”纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門。美國研究人員稱，“太空電梯”的最大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、長達23000英里并且足夠強韌的纜線，美國科學家證實，地球上強度最高的物質“石墨烯”完全適合用來制造太空電梯纜線。

人類通過“太空電梯”進入太空，所花的成本將比通過火箭升入太空便宜很多。為了激勵科學家發(fā)明出制造太空電梯纜線的堅韌材料，美國NASA此前還發(fā)出了400萬美元的懸賞。

2.代替硅生產超級計算機

據科學家稱，石墨烯除了異常牢固外，還具有一系列獨一無二的特性，石墨烯還是目前已知導電性能最出色的材料，這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產未來的超級計算機。

IBM宣布研發(fā)出號稱全世界速度最快的石墨烯(graphene)場效晶體管(FET)，可在26GHz頻率下運作。該公司Thomas J. Watson研究中心的研究人員并預測，碳元素更高的電子遷移率，可望使該種材料超越硅的極限，達到100GHz以上的速度跨入兆赫(terahertz)領域。

石墨烯-獲諾貝爾獎

他們曾是師生，現在是同事，他們都出生于俄羅斯，都曾在那里學習，也曾一同在荷蘭學習和研究，最后他們又一起在英國制備出了石墨烯。這種神奇材料的誕生使安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得2010年諾貝爾物理學獎。

海姆和諾沃肖洛夫2004年制備出石墨烯。這是目前世界上最薄的材料，僅有一個碳原子厚。與所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導電性也很好。此外，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作。而作為熱導體，石墨烯比目前任何其他材料的導熱效果都好。

海姆和諾沃肖洛夫認為，石墨烯晶體管已展示出優(yōu)點和良好性能，因此石墨烯可能最終會替代硅。由于成果要經得起時間考驗，許多諾貝爾科學獎項都是在獲得成果十幾或幾十年后才頒發(fā)。而石墨烯材料的制備成功距今才6年時間，就獲得了諾貝爾獎，這使諾沃肖洛夫感到意外。他說：“今天早上聽說這個消息時，我非常驚喜，第一個想法就是奔到實驗室告訴整個研究團隊?！倍Ｄ穭t表示，“我從沒想過獲諾貝爾獎，昨天晚上睡得很踏實”。

海姆認為，獲得諾貝爾獎的有兩種人：一種是獲獎后就停止了研究，至此終老一生再無成果;一種是生怕別人認為他是偶然獲獎的，因此在工作上倍加努力?！拔以敢獬蔀榈诙N人，當然我會像平常一樣走進辦公室，繼續(xù)努力工作，繼續(xù)平常生活?！?/p>