「人類目前最強功能材料-石墨烯[精制課件]」.ppt

人類目前最強功能材料 石墨烯 1 精制課件 2 精制課件 比鉆石還硬的材料 石墨烯 3 精制課件 4 精制課件 5 精制課件 6 精制課件 一 石墨烯概念二 發(fā)展簡史三 石墨烯特性四 制備方法五 應(yīng)用前景六 石墨烯材料的誕生獲得2010年諾貝爾物理學獎七 國內(nèi)生產(chǎn)狀況八 石墨烯實例 目錄 7 精制課件 一 石墨烯概念 石墨烯具有諸多超乎人類想象的優(yōu)越特性 第一 石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料 據(jù)測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜 厚度約100納米 那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力 而不至于斷裂 第二 石墨烯是世界上導電性最好的材料 電子在其中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 石墨烯市場售價大約5000元 克 比黃金貴15倍 廣泛用于軍事 電子工業(yè)領(lǐng)域 石墨烯在新能源領(lǐng)域如超級電容器 鋰離子電池方面 由于其高傳導性 高比表面積 可適用于作為電極材料助劑 8 精制課件 石墨烯的來源 常見的天然石墨是由一層層蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊形成的 石墨的層間作用力較弱 很容易互相剝離 形成較薄的石墨片 當把石墨片剝成單層之后 形成的一個碳原子厚度的單層就是石墨烯 是碳的二維結(jié)構(gòu) 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 英國曼徹斯特大學的兩位科學家科斯提亞 諾沃謝夫和安德烈 蓋姆因為首先發(fā)現(xiàn)石墨烯獲得2010年度的諾貝爾物理學獎 石墨烯的應(yīng)用范圍廣闊 根據(jù)石墨烯超薄 強度超大的特性 石墨烯可被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域 比如超輕防彈衣 超薄超輕型飛機材料等 根據(jù)其優(yōu)異的導電性 使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力 石墨烯有可能會成為硅的替代品 制造超微型晶體管 用來生產(chǎn)未來的超級計算機 碳元素更高的電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度 9 精制課件 一 石墨烯材料的簡介 1 定義石墨烯 Graphene 是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料 厚度只有0 335納米 僅為頭發(fā)的20萬分之一 是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料 如零維富勒烯 一維納米碳管 三維石墨 的基本單元 具有極好的結(jié)晶性 力學性能和電學質(zhì)量 石墨烯的理論比表面積高達2600m2Pg 具有突出的導熱性能 3000W m 1 K 1 和力學性能 1060GPa 以及室溫下較高的電子遷移率 15000cm2 V 1 s 1 此外 它的特殊結(jié)構(gòu) 使其具有半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng) 永不消失的電導率等一系列性質(zhì) 因而備受關(guān)注 10 精制課件 2 發(fā)現(xiàn)Graphene 石墨烯 是2004年由曼徹斯特大學科斯提亞 諾沃謝夫 KostyaNovoselov 和安德烈 蓋姆 AndreGeim 發(fā)現(xiàn)的 他們使用的是一種被稱為機械微應(yīng)力技術(shù) micromechanicalcleavage 的簡單方法 正是這種簡單的方法制備出來的簡單物質(zhì) 石墨烯推翻了科學界的一個長久以來的錯誤認識 任何二維晶體不能在有限的溫度下穩(wěn)定存在 現(xiàn)在石墨烯這種二維晶體不僅可以在室溫存在 而且十分穩(wěn)定的存在于通常的環(huán)境下 11 精制課件 一直以來理論和實驗界都認為嚴格的二維晶體無法在非絕對零度穩(wěn)定存在 這一假設(shè)直到2004年英國Manchester大學的Geim等人發(fā)現(xiàn)單層石墨烯 graphene 后才得以改變 他們采用一種簡單的 微機械力分裂法 microfolitation 制備了一種單原子厚度的碳膜 這種兩維碳材料表現(xiàn)了很高的結(jié)晶度而且異乎尋常地穩(wěn)定 這一發(fā)現(xiàn)立刻震撼了科學界 隨后這種新型碳材料成為材料學和物理學領(lǐng)域的一個研究熱點 12 精制課件 康斯坦丁 諾沃肖洛夫安德烈 海姆 13 精制課件 3 結(jié)構(gòu)完美的石墨烯是二維的 它只包括六角元胞 等角六邊形 如果有五角元胞和七角元胞存在 那么他們構(gòu)成石墨烯的缺陷 如果少量的五角元胞細胞會使石墨烯翹曲 12個五角元胞的會形成富勒烯 碳納米管也被認為是卷成圓桶的石墨烯 可見 石墨烯是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料 如零維富勒烯 一維納米碳管 三維石墨 的基本單元 14 精制課件 15 精制課件 三 石墨烯材料的性質(zhì) 1 力學性質(zhì) 比鉆石還要硬 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分析 在石墨烯樣品微粒開始碎裂前 它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2 9微牛 據(jù)科學家們測算 這一結(jié)果相當于要施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂 如果物理學家們能制取出厚度相當于普通食品塑料包裝袋的 厚度約100納米 石墨烯 那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷 換句話說 如果用石墨烯制成包裝袋 那么它將能承受大約兩噸重的物品 打個比方說單層石墨烯的強度 就像把大象的重量加到一支鉛筆上 才能夠用這支鉛筆刺穿僅像保鮮膜一樣厚度的單層石墨烯 16 精制課件 實驗證明從鉛筆石墨中提取的石墨烯 竟然比鉆石還堅硬 強度比世界上最好的鋼鐵還要高上百倍 這項科學發(fā)現(xiàn)刊登于近期的 科學 雜志 作者是兩位哥倫比亞大學的研究生 來自中國的韋小丁和韓裔李琩鈷 ChangguLee etal GrapheneMeasurementoftheElasticPropertiesandIntrinsicStrengthofMonolayerScience321 385 2008 17 精制課件 Dreams 對于強度比世界上最好的鋼鐵還要高上百倍的石墨烯 如果能加以利用 不僅可以造出紙片般薄的超輕型飛機材料 超堅韌的防彈衣 甚至還可以制作23000英里長伸入太空的電梯 實現(xiàn)人類坐電梯進入太空的夢想 美國國家航空航天局 NASA 懸賞400萬美金鼓勵科學家們進行這種電梯的開發(fā) 實現(xiàn)人類夢想 18 精制課件 2 出色的電學性質(zhì) 電子運輸碳原子有四個價電子 這樣每個碳原子都貢獻一個未成鍵的 電子 這些 電子與平面成垂直的方向可形成軌道 電子可在晶體中自由移動 賦予石墨烯良好的導電性 此外 石墨烯是具有零帶隙的能帶結(jié)構(gòu) 19 精制課件 3 導電性 石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌 當施加外部機械力時 碳原子面就彎曲變形 從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力 也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導電性 石墨烯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(yīng)稱為 載荷子 electricchargecarrier 的性質(zhì)和相對論性的中微子非常相似 石墨烯有相當?shù)牟煌该鞫?可以吸收大約2 3 的可見光 而這也是石墨烯中載荷子相對論性的體現(xiàn) 20 精制課件 4 電子的相互作用 石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強烈的相互作用 石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強烈 而且電子和電子之間也有很強的相互作用 21 精制課件 5 其它特殊性質(zhì)石墨烯具有明顯的二維電子特性 在石墨烯中不具有量子干涉磁阻石墨烯電子性質(zhì)用量子力學的迪拉克方程來描述比薛定諤方程更好可控滲透性離子導電體各向異性超電容性 22 精制課件 其它應(yīng)用 pH傳感器氣體分子傳感器儲氧材料藥物控制釋放離子篩作為電極材料 23 精制課件 電子顯微鏡下觀測的石墨烯片 其碳原子間距僅0 14納米 24 精制課件 韓國成均館大學和三星公司的研究人員已經(jīng)制造出由多層石墨烯和聚酯片基底組成的透明可彎曲顯示屏 石墨烯的材質(zhì)優(yōu)點總結(jié) 其導電性能比銅還好幾倍 堅硬比鋼鐵大10倍而且極輕 由此可見可用于飛機制造來減少重量與避彈衣制造 石墨烯的應(yīng)用前景 太空電梯纜線 替代硅生產(chǎn)超級計算機 光子傳感器 液晶顯示材料 新一代太陽能電池等領(lǐng)域 瑞典和美國的科學家使用神奇的石墨烯材料的發(fā)光面板 總有一天也許會讓基本的燈泡變成多余的 25 精制課件 薄得像紙一樣的iPhone概念手機 26 精制課件 二 發(fā)展簡史 石墨烯出現(xiàn)在實驗室中是在2004年 當時 英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈 杰姆和克斯特亞 諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片 他們從石墨中剝離出石墨片 然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上 撕開膠帶 就能把石墨片一分為二 不斷地這樣操作 于是薄片越來越薄 最后 他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片 這就是石墨烯 這以后 制備石墨烯的新方法層出不窮 經(jīng)過5年的發(fā)展 人們發(fā)現(xiàn) 將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時不遠了 石墨烯的出現(xiàn)在科學界激起了巨大的波瀾 人們發(fā)現(xiàn) 石墨烯具有非同尋常的導電性能 超出鋼鐵數(shù)十倍的強度和極好的透光性 它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命 27 精制課件 在石墨烯中 電子能夠極為高效地遷移 而傳統(tǒng)的半導體和導體 例如硅和銅遠沒有石墨烯表現(xiàn)得好 由于電子和原子的碰撞 傳統(tǒng)的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量 目前一般的電腦芯片以這種方式浪費了70 80 的電能 石墨烯則不同 它的電子能量不會被損耗 這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性 28 精制課件 普通電容器和超級電容器結(jié)構(gòu) 超級電容器不同于電池 在充放電時不會發(fā)生化學反應(yīng) 電能的存儲或釋放都是通過靜電場建立的物理過程完成的 29 精制課件 三 石墨烯特性 電子運輸在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前 大多數(shù) 如果不是所有的話 物理學家認為 熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在 所以 它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚態(tài)物理界 雖然理論和實驗界都認為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對零度穩(wěn)定存在 但是單層石墨烯在實驗中被制備出來 這些可能歸結(jié)于石墨烯在納米級別上的微觀扭曲 石墨烯還表現(xiàn)出了異常的整數(shù)量子霍爾行為 其霍爾電導 2e h 為量子電導的奇數(shù)倍 且可以在室溫下觀測到 這個行為已被科學家解釋為 電子在石墨烯里遵守相對論量子力學 沒有靜質(zhì)量 30 精制課件 31 精制課件 三 石墨烯特性 導電性石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定 迄今為止 研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況 石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌 當施加外部機械力時 碳原子面就彎曲變形 從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力 也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(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 由于原子間作用力十分強 在常溫下 即使周圍碳原子發(fā)生擠撞 石墨烯中電子受到的干擾也非常小 32 精制課件 富勒烯 左 和碳納米管 中 都可以看作是由單層的石墨烯通過某種方式卷成的 而石墨 右 是由多層石墨烯通過范德華力的聯(lián)系堆疊成的 33 精制課件 三 石墨烯特性 石墨烯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(yīng)稱為 載子 electricchargecarrier 的性質(zhì)和相對論性的中微子非常相似 石墨烯有相當?shù)牟煌该鞫?可以吸收大約2 3 的可見光 而這也是石墨烯中載荷子相對論性的體現(xiàn) 34 精制課件 三 石墨烯特性 機械特性石墨烯是人類已知強度最高的物質(zhì) 比鉆石還堅硬 強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍 哥倫比亞大學的物理學家對石墨烯的機械特性進行了全面的研究 在試驗過程中 他們選取了一些之間在10 20微米的石墨烯微粒作為研究對象 研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個表面被鉆有小孔的晶體薄板上 這些孔的直徑在1 1 5微米之間 之后 他們用金剛石制成的探針對這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力 以測試它們的承受能力 35 精制課件 用AFM探針在石墨烯上 書寫 納米線 36 精制課件 研究人員發(fā)現(xiàn) 在石墨烯樣品微粒開始碎裂前 它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2 9微牛 據(jù)科學家們測算 這一結(jié)果相當于要施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂 如果物理學家們能制取出厚度相當于普通食品塑料包裝袋的 厚度約100納米 石墨烯 那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷 換句話說 如果用石墨烯制成包裝袋 那么它將能承受大約兩噸重的物品 37 精制課件 三 石墨烯特性電子的相互作用利用世界上最強大的人造輻射源 美國加州大學 哥倫比亞大學和勞倫斯 伯克利國家實驗室的物理學家發(fā)現(xiàn)了石墨烯特性新秘密 石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強烈的相互作用 科學家借助了美國勞倫斯伯克利國家實驗室的 先進光源 ALS 電子同步加速器 這個加速器產(chǎn)生的光輻射亮度相當于醫(yī)學上X射線強度的1億倍 科學家利用這一強光源觀測發(fā)現(xiàn) 石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強烈 而且電子和電子之間也有很強的相互作用 38 精制課件 石墨烯的蜂窩晶格 39 精制課件 三 石墨烯特性化學性質(zhì)我們至今關(guān)于石墨烯化學知道的是 類似石墨表面 石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子 從表面化學的角度來看 石墨烯的性質(zhì)類似于石墨 可利用石墨來推測石墨烯的性質(zhì) 石墨烯化學可能有許多潛在的應(yīng)用 然而要石墨烯的化學性質(zhì)得到廣泛關(guān)注有一個不得不克服的障礙 缺乏適用于傳統(tǒng)化學方法的樣品 這一點未得到解決 研究石墨烯化學將面臨重重困難 40 精制課件 石墨烯實例 照片 單層石墨烯生長在銅箔表面 照片 石墨烯生長于4 硅片表面基材為Ni SiO2 Si 41 精制課件 石墨烯結(jié)果 SEM 單層石墨烯在銅箔表面 Raman光譜 單層石墨烯 42 精制課件 四 制備方法微機械分離法最普通的是微機械分離法 直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來 2004年Novoselovt等用這種方法制備出了單層石墨烯 并可以在外界環(huán)境下穩(wěn)定存在 典型制備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進行摩擦 體相石墨的表面會產(chǎn)生絮片狀的晶體 在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯 但缺點是此法是利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片 其尺寸不易控制 無法可靠地制造長度足供應(yīng)用的石墨薄片樣本 43 精制課件 通過粘貼Scotch膠帶的 機械剝離法 制作石墨烯的順序 44 精制課件 四 制備方法取向附生法 晶膜生長取向附生法是利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu) 種 出石墨烯 首先讓碳原子在1150 下滲入釕 然后冷卻 冷卻到850 后 之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面 鏡片形狀的單層的碳原子 孤島 布滿了整個基質(zhì)表面 最終它們可長成完整的一層石墨烯 第一層覆蓋80 后 第二層開始生長 底層的石墨烯會與釕產(chǎn)生強烈的交互作用 而第二層后就幾乎與釕完全分離 只剩下弱電耦合 得到的單層石墨烯薄片表現(xiàn)令人滿意 但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻 且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會影響碳層的特性 另外PeterW Sutter等使用的基質(zhì)是稀有金屬釕 45 精制課件 中國科學院物理研究所利用含碳的釕單晶在超高真空環(huán)境下經(jīng)高溫退火處理可以使碳元素向晶體表面偏析形成外延單層石墨烯薄膜 46 精制課件 四 制備方法加熱SiC法該法是通過加熱單晶6H SiC脫除Si 在單晶 0001 面上分解出石墨烯片層 具體過程是 將經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加熱 除去氧化物 用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后 將樣品加熱使之溫度升高至1250 1450 后恒溫1min 20min 從而形成極薄的石墨層 經(jīng)過幾年的探索 Berger等人已經(jīng)能可控地制備出單層或是多層石墨烯 其厚度由加熱溫度決定 制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難 47 精制課件 利用NTT物性科學基礎(chǔ)研究所正在開發(fā)的SiC熱分解法制作的SiC基板上的石墨烯 右 實際分布有1 多層的石墨烯 48 精制課件 四 制備方法包信和等開發(fā)了一條以商品化碳化硅顆粒為原料 通過高溫裂解規(guī)模制備高品質(zhì)無支持 Freestanding 石墨烯材料的新途徑 通過對原料碳化硅粒子 裂解溫度 速率以及氣氛的控制 可以實現(xiàn)對石墨烯結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)控 這是一種非常新穎 對實現(xiàn)石墨烯的實際應(yīng)用非常重要的制備方法 49 精制課件 四 制備方法化學解理法化學解理法是將氧化石墨通過熱還原的方法制備石墨烯的方法 氧化石墨層間的含氧官能團在一定溫度下發(fā)生反應(yīng) 迅速放出氣體 使得氧化石墨層被還原的同時解理開 得到石墨烯 這是一種重要的制備石墨烯的方法 天津大學楊全紅等用低溫化學解理氧化石墨的方法制備了高質(zhì)量的石墨烯 50 精制課件 上圖為高定向熱解石墨 HOPG 下圖為從HOPG撕出來 置于厚度300nm的二氧化矽表面的石墨片烯 左下角淺色三角形為單層石墨片烯 其余為1 5層不等 51 精制課件 四 制備方法化學還原法化學還原法是將氧化石墨與水以1mg mL的比例混合 用超聲波振蕩至溶液清晰無顆粒狀物質(zhì) 加入適量肼在100 回流24h 產(chǎn)生黑色顆粒狀沉淀 過濾 烘干即得石墨烯 SashaStankovich等利用化學分散法制得厚度為1nm左右的石墨烯 52 精制課件 五 應(yīng)用前景在納電子器件方面的應(yīng)用2005年 Geim研究組 3J與Kim研究組H發(fā)現(xiàn) 室溫下石墨烯具有l(wèi)0倍于商用硅片的高載流子遷移率 約10am V s 并且受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小 表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性 300K下可達0 3m 這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢 使電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場效應(yīng)管成為可能 較大的費米速度和低接觸電阻則有助于進一步減小器件開關(guān)時間 超高頻率的操作響應(yīng)特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優(yōu)勢 此外 石墨烯減小到納米尺度甚至單個苯環(huán)同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學性能 使探索單電子器件成為可能 53 精制課件 貝爾實驗室的Fulton等人制成的128Mbit石墨烯單電子存儲器芯片照片 54 精制課件 五 應(yīng)用前景 代替硅生產(chǎn)超級計算機科學家發(fā)現(xiàn) 石墨烯還是目前已知導電性能最出色的材料 石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路 高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊 一些電子設(shè)備 例如手機 由于工程師們正在設(shè)法將越來越多的信息填充在信號中 它們被要求使用越來越高的頻率 然而手機的工作頻率越高 熱量也越高 于是 高頻的提升便受到很大的限制 由于石墨烯的出現(xiàn) 高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無限廣闊了 這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)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(chǎn)未來的超級計算機 55 精制課件 超級計算機芯片 目前世上電阻率最小的材料 電阻率僅為10 6 cm 56 精制課件 五 應(yīng)用前景 光子傳感器石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場上 這種傳感器是用于檢測光纖中攜帶的信息的 現(xiàn)在 這個角色還在由硅擔當 但硅的時代似乎就要結(jié)束 去年10月 IBM的一個研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器 接下來人們要期待的就是基于石墨烯的太陽能電池和液晶顯示屏了 因為石墨烯是透明的 用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)良的透光性 57 精制課件 氧化石墨烯 四 石墨烯的應(yīng)用 Dikin等制成了無支撐氧化石墨烯紙狀材料 氧化石墨烯片是以一種接近平行的方式相互連接或瓦片式連接在一起形成的 拉伸試驗表明氧化石墨烯紙具有較高的拉伸模量和斷裂強度 其平均模量為32GPa 性能與用類似方法制備的碳納米管布基紙相當 58 精制課件 微電子領(lǐng)域 微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)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(chǎn)未來的超級計算機 曼徹斯特的小組采用標準半導體制造技術(shù)制作出晶體管 從一小片石墨烯片層開始 采用電子束曝光在材料上刻出溝道 在被稱為中央島的中部位置保持一個帶有微小圓籠的量子點 電壓可以改變這些量子點的電導率 這樣就可以像標準場效應(yīng)晶體管那樣儲存邏輯態(tài) 可在26GHz頻率下運作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(lǐng)域 59 精制課件 雙層石墨烯可降低元器件電噪聲 美國IBM公司T J 沃森研究中心的科學家 最近攻克了在利用石墨構(gòu)建納米電路方面最令人困擾的難題 即通過將兩層石墨烯片疊加 可以將元器件的電噪聲降低10倍 由此可以大幅改善晶體管的性能 這將有助于制造出比硅晶體管速度快 體積小 能耗低的石墨烯晶體管 60 精制課件 石墨烯可作為宇宙學研究的平臺 精細結(jié)構(gòu)常數(shù)是物理學中一個重要的無量綱數(shù) 用希臘字母 表示 它與量子電動力學有著緊密的淵源 它將電動力學中的電荷e 量子力學中的普朗克常數(shù)h 相對論中的光速c聯(lián)系起來 定義為 e 2 2 0 h c 其中e是電子的電荷 0是真空介電常數(shù) h是普朗克常數(shù) c是真空中的光速 而其大小為什么約等于1 137至今尚未得到令人信服的回答 Geim與Rahul Nair和Peter Blake兩位博士一道 首次創(chuàng)造出巨大的懸浮石墨烯薄膜 他們發(fā)現(xiàn) 盡管只有單層原子厚度 但石墨烯有相當?shù)牟煌该鞫?可以吸收大約2 3 的可見光 而相關(guān)的理論研究也表明 如果將這一數(shù)字除以圓周率 就會得到較為精確的精細結(jié)構(gòu)常數(shù)值 61 精制課件 美科學家制出4寸石墨烯晶圓 62 精制課件 五 應(yīng)用前景 減少噪音美國IBM宣布 通過重疊2層相當于石墨單原子層的 石墨烯 Graphene 試制成功了新型晶體管 同時發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特有的1 f石墨烯 試制成功了相同的晶體管 不過與預(yù)計的相反 發(fā)現(xiàn)能夠大幅控制噪音 通過在二層石墨烯之間生成的強電子結(jié)合 從而控制噪音 噪聲 63 精制課件 五 應(yīng)用前景 其它應(yīng)用石墨烯還可以應(yīng)用于晶體管 觸摸屏 基因測序等領(lǐng)域 同時有望幫助物理學家在量子物理學研究領(lǐng)域取得新突破 中國科研人員發(fā)現(xiàn)細菌的細胞在石墨烯上無法生長 而人類細胞卻不會受損 利用這一點石墨烯可以用來做繃帶 食品包裝甚至抗菌T恤 用石墨烯做的光電化學電池可以取代基于金屬的有機發(fā)光二極管 因石墨烯還可以取代燈具的傳統(tǒng)金屬石墨電極 使之更易于回收 這種物質(zhì)不僅可以用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料 制造出超堅韌的防彈衣 甚至能讓科學家夢寐以求的2 3萬英里長太空電梯成為現(xiàn)實 64 精制課件 從左到右 在石墨烯上印好的銀電極把材料分成大小為3 1英寸的區(qū)域 組裝好的石墨烯觸摸屏面板 接到電腦上使用的石墨烯觸摸屏 65 精制課件 中國科學院上海分院的科學家發(fā)現(xiàn)石墨烯氧化物對于抑制大腸桿菌的生長超級有效 而且不會傷害到人體細胞 66 精制課件 中國的科研人員發(fā)現(xiàn)細菌的細胞在石墨烯的紙上無法生長 而人類細胞則不會受損 利用這一點可以利用它來做繃帶 食品包裝甚至抗菌T恤衫 67 精制課件 用石墨烯做的LECs 光電化學電池 68 精制課件 未來的 太空天梯 69 精制課件 六 石墨烯材料的誕生獲得2010年諾貝爾物理學獎他們曾是師生 現(xiàn)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 70 精制課件 2010年10月5日 瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布 將2010年諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學科學家安德烈 海姆和康斯坦丁 諾沃肖洛夫 以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究 71 精制課件 六 石墨烯材料的誕生獲得2010年諾貝爾物理學獎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(jīng)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 而海姆則表示 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 我愿意成為第二種人 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 72 精制課件 海姆 左 和諾沃肖洛夫在英國曼徹斯特大學 73 精制課件 七 國內(nèi)生產(chǎn)狀況石墨烯產(chǎn)業(yè)還在量產(chǎn)探索階段 還沒有發(fā)現(xiàn)一種成熟的方法能夠批量生產(chǎn)性能優(yōu)質(zhì)的石墨烯 目前氧化石墨還原法相對更加容易量產(chǎn) 是生產(chǎn)石墨烯的主流制備工藝 不過通過氧化還原法 容易使得石墨烯的分子結(jié)構(gòu)收到破壞 而降低了石墨烯的性能 另外 氧化還原法得到的石墨烯溶液中石墨烯非常容易發(fā)生團聚現(xiàn)象 使得產(chǎn)品很多的性能與理論值有很大差距 石墨烯另一個相對較成熟的制備方法是氣相沉積法 但仍然很多技術(shù)問題沒有解決 如 使用氣相沉積法所得的石墨烯相對機械剝離法制備的石墨烯難以運輸 一些使用氣相沉積法所得石墨烯的屬性 量子霍爾效應(yīng) 并沒有在氣象沉積法制備的石墨烯中發(fā)現(xiàn) 說明氣相沉積法可能會影響石墨烯的特性 而且使用氣相沉積法得到的石墨烯片只能達到平方厘米的量級 難以滿足石墨烯的工業(yè)化應(yīng)用 74 精制課件 化學氣相沉積法 生長在銅箔上的石墨烯轉(zhuǎn)移到PET薄膜的過程示意圖 75 精制課件 石墨烯的目前還不具備工業(yè)化生產(chǎn)的條件 各國都在針對石墨烯的制備進行積極的探索 也不斷的有新的制備方法出現(xiàn) 業(yè)內(nèi)預(yù)計2015年前就能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯的規(guī)模化量產(chǎn) 國內(nèi)的供需情況石墨烯產(chǎn)業(yè)最大的瓶頸在于還沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈 目前仍沒有一種可以應(yīng)用石墨烯的產(chǎn)品能夠規(guī)?；a(chǎn) 對石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研機構(gòu)的研究使用 石墨烯的高強度 高導電性及傳熱性 超大的比表面積等特性能夠在航天軍工 鋰離子電池 超級電容器等多領(lǐng)域有潛在應(yīng)用 但由于其成本過高 一直都處于研究階段 從目前的技術(shù)發(fā)展來看 最有可能實現(xiàn)工業(yè)化使用石墨烯的下游行業(yè)是復合材料領(lǐng)域