納米材料的研究進(jìn)展及其應(yīng)用

1、納米材料的研究進(jìn)展及其應(yīng)用姓名：李若木學(xué)號(hào)：115104000462學(xué)院：電光院1、納米材料1.1納米材料的概念 納米材料又稱(chēng)為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型人介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著不同。1.2納米材料的發(fā)展自20世紀(jì)70

2、年代納米顆粒材料問(wèn)世以來(lái)，從研究?jī)?nèi)涵和特點(diǎn)大致可劃分為三個(gè)階段：第一階段（1990年以前）：主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種方法制備各種材料的納米顆粒粉體或合成塊體，研究評(píng)估表征的方法，探索納米材料不同于普通材料的特殊性能；研究對(duì)象一般局限在單一材料和單相材料，國(guó)際上通常把這種材料稱(chēng)為納米晶或納米相材料。第二階段（19901994年）：人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已發(fā)掘的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，復(fù)合材料的合成和物性探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。第三階段（1994年至今）：納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)材料體系正在成為納米材料研究的新熱點(diǎn)。國(guó)際上把這類(lèi)材料稱(chēng)為納米組裝材料體系或

3、者納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系。2、納米材料：石墨烯2.1石墨烯的概念石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯既是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強(qiáng)度最

4、高的材料，如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的貓。石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)百倍。另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無(wú)法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽(yáng)能電池板。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移

5、率超過(guò)15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體（monocrystalline silicon）高，而電阻率只約10-6 ·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱(chēng)為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。2.2石墨烯的制備方法機(jī)械剝離法是利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡(jiǎn)單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結(jié)構(gòu)，但是得到的片層小，生產(chǎn)效率低。氧化還原法是通過(guò)

6、將石墨氧化，增大石墨層之間的間距，再通過(guò)物理方法將其分離，最后通過(guò)化學(xué)法還原，得到石墨烯的方法。這種方法操作簡(jiǎn)單，產(chǎn)量高，但是產(chǎn)品質(zhì)量較低。SiC外延法是通過(guò)在超高真空的高溫環(huán)境下，使硅原子升華脫離材料，剩下的C原子通過(guò)自組形式重構(gòu)，從而得到基于SiC襯底的石墨烯。這種方法可以獲得高質(zhì)量的石墨烯，但是這種方法對(duì)設(shè)備要求較高。化學(xué)氣相沉積法（CVD）是目前最有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制備高質(zhì)量、大面積石墨烯的方法。這種方法制備的石墨烯具有面積大和質(zhì)量高的特點(diǎn)，但現(xiàn)階段成本較高，工藝條件還需進(jìn)一步完善。2.3石墨烯的性質(zhì) 1、電子效應(yīng) 石墨烯一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，研究熱潮接踵而至。在石墨烯領(lǐng)域，研究

7、最深的是石墨烯的電性質(zhì)。原因應(yīng)該是石墨烯無(wú)與倫比的高電子遷移率。最先分離出石墨烯，來(lái)自曼徹斯特的小組測(cè)量了他們分離出的單層石墨烯分子的電子遷移率，發(fā)現(xiàn)電荷在石墨烯中的遷移速率達(dá)到10000cm2/vs，這個(gè)測(cè)量結(jié)果還是在未除去雜質(zhì)與襯底，保持室溫的條件下進(jìn)行。相比之下，現(xiàn)代晶體管的主要材料硅的電子遷移率不過(guò)1400 cm2/vs。當(dāng)然，這個(gè)數(shù)據(jù)記錄并沒(méi)有保持多久，在2008年，由Geim和他同事領(lǐng)導(dǎo)的小組聲稱(chēng)電子在石墨烯中遷移速率可以到達(dá)前所未有的200000 cm2/vs。而不久之后，來(lái)自哥倫比亞大學(xué)的Kirill Bolotin將這個(gè)數(shù)值提高到250000&#

8、160;cm2/vs，超過(guò)硅100倍以上。石墨烯在電子遷移率上另一個(gè)優(yōu)異性質(zhì)是它的遷移率大小幾乎不隨溫度變化而變化。電子遷移率之所以受溫度影響，是因?yàn)殡娮釉趥鬟f過(guò)程中受晶體晶格震動(dòng)的散射作用，導(dǎo)致電子遷移率降低，而晶格震動(dòng)的強(qiáng)度與溫度成正比。即溫度越高，電子遷移率越低。然而石墨烯的晶格震動(dòng)對(duì)電子散射很少，幾乎不受溫度變化影響，馬里蘭大學(xué)的研究人員在50K和500K之間測(cè)量了單層石墨烯的電子遷移率，發(fā)現(xiàn)無(wú)論溫度如何變化，電子遷移率大約都是15000 cm2/vs。石墨烯的超強(qiáng)導(dǎo)電性與它特殊的量子隧道效應(yīng)有關(guān)。量子隧道效應(yīng)允許相對(duì)論的粒子有一定概率穿越比自身能量高的勢(shì)壘。而在石墨烯中，量

9、子隧道效應(yīng)被發(fā)揮到極致，科學(xué)家們?cè)谑┚w上施加一個(gè)電壓（相當(dāng)于一個(gè)勢(shì)壘），然后測(cè)定石墨烯的電導(dǎo)率。一般認(rèn)為，增加了額外的勢(shì)壘，部分電子不能越過(guò)勢(shì)壘，使得電導(dǎo)率下降。但事實(shí)并非如此，所有的粒子都發(fā)生了量子隧道效應(yīng)，通過(guò)率達(dá)100%。這是石墨烯極高載流速率的來(lái)源。與光子類(lèi)似，石墨烯中的電子沒(méi)有靜止質(zhì)量。二者另外一個(gè)相似之處是它們的速度與動(dòng)能無(wú)關(guān)，均為常數(shù)。沒(méi)有靜止質(zhì)量也導(dǎo)致石墨烯中的電子行為符合相對(duì)論化的狄拉克電子方程，而薛定諤方程對(duì)其則不適用。石墨烯還呈現(xiàn)出量子霍爾效應(yīng)，并且與眾不同的是，石墨烯的量子霍爾效應(yīng)能在室溫下被觀測(cè)到。2.非電子效應(yīng) 除了特殊的電子效應(yīng)，石墨烯的非電子效應(yīng)

10、也同樣值得關(guān)注。石墨烯的導(dǎo)熱能力出眾，達(dá)到了5000W/(m·k)，是金剛石的五倍。而在石墨烯發(fā)現(xiàn)以前，金剛石是已知自然界中熱導(dǎo)率最高的。同時(shí)石墨烯還是現(xiàn)在世界上已知的最為堅(jiān)固的材料，在石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，其每100納米距離上可承受的最大壓力達(dá)到約2.9微牛。這一結(jié)果相當(dāng)于，施加55牛頓的壓力才能使1米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。除了強(qiáng)度高，石墨烯還同時(shí)展現(xiàn)出高柔韌性與脆性這兩個(gè)相互矛盾的性質(zhì)，這一點(diǎn)史無(wú)前例，同樣前無(wú)古人的發(fā)現(xiàn)是石墨烯不容許任何氣體通過(guò)，可以說(shuō)是隔絕氣體的優(yōu)良材料。不過(guò)關(guān)于非電子效應(yīng)，我們甚至不知道石墨烯的熔點(diǎn)，也不知道它如何熔化的，這源于石墨烯極小的尺寸。 3

11、.化學(xué)性質(zhì) 石墨烯的電子性質(zhì)受到了廣泛關(guān)注，然而石墨烯的化學(xué)性質(zhì)卻一直無(wú)人問(wèn)津，我們至今關(guān)于石墨烯化學(xué)知道的是：類(lèi)似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子（例如：二氧化氮，氨，鉀）。這些吸附物往往作為給體或受體并導(dǎo)致載流子濃度的變化，石墨烯本身仍然是高導(dǎo)電。其他的吸附物，如氫離子和氫氧根離子則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電性很差的衍生物，但這些都不是新的化合物，只是石墨烯裝飾不同吸附物而已。從表面化學(xué)的角度來(lái)看，石墨烯的性質(zhì)類(lèi)似于石墨，可利用石墨來(lái)推測(cè)石墨烯的性質(zhì)。第一個(gè)功能化石墨烯的例子是graphane：它由二維的碳?xì)浠衔锏囊粋€(gè)氫原子連接到石墨烯的每個(gè)六邊形格而成。除了氫原子，許多其他功能化

12、機(jī)團(tuán)也不失為尋找新型石墨烯復(fù)合材料的選擇?！笆垺笔且粋€(gè)受人矚目的例子：由未功能化的石墨烯薄片產(chǎn)生的石墨紙多孔、非常脆弱；然而，由致密氧化的石墨烯產(chǎn)生的石墨紙則堅(jiān)硬強(qiáng)韌。除功能化外，石墨烯化學(xué)可能有許多潛在的應(yīng)用，然而要石墨烯的化學(xué)性質(zhì)得到廣泛關(guān)注有一個(gè)不得不克服的障礙：缺乏適用于傳統(tǒng)化學(xué)方法的樣品。這一點(diǎn)未得到解決，研究石墨烯化學(xué)將面臨重重困難。2.4石墨烯的應(yīng)用石墨烯對(duì)物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著特殊意義，它使一些此前只能紙上談兵的量子效應(yīng)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，例如電子無(wú)視障礙、實(shí)現(xiàn)幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多“極端”性質(zhì)的物理性質(zhì)。因?yàn)橹挥幸粚釉樱娮拥倪\(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)平面上，石

13、墨烯也有著全新的電學(xué)屬性。石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎(chǔ)上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強(qiáng)韌新型材料，用于制造汽車(chē)、飛機(jī)和衛(wèi)星。隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會(huì)是移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。消費(fèi)電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來(lái)移動(dòng)設(shè)備顯示屏的發(fā)展趨勢(shì)。柔性顯示未來(lái)市場(chǎng)廣闊，作為基礎(chǔ)材料的石

14、墨烯前景也被看好。有數(shù)據(jù)顯示2013年全球?qū)κ謾C(jī)觸摸屏的需求量大概在9.65億片。到2015年，平板電腦對(duì)大尺寸觸摸屏的需求也將達(dá)到2.3億片，為石墨烯的應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)。韓國(guó)三星公司的研究人員也已制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，相信大規(guī)模商用指日可待。另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領(lǐng)域。之前美國(guó)麻省理工學(xué)院已成功研制出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽(yáng)能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用。另外，石墨烯超級(jí)電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車(chē)電池的容量不足以及充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，極大加速了新能源電池產(chǎn)

15、業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應(yīng)用鋪就了道路。由于高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也是極為突出的。前不久美國(guó)NASA開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于航天領(lǐng)域的石墨烯傳感器，就能很好的對(duì)地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷等進(jìn)行檢測(cè)。而石墨烯在超輕型飛機(jī)材料等潛在應(yīng)用上也將發(fā)揮更重要的作用.2.5石墨烯的近幾年發(fā)展成果英國(guó)在2012年底宣布追加投資2150萬(wàn)英鎊資助石墨烯研究項(xiàng)目，推進(jìn)石墨烯的商業(yè)化進(jìn)程。于2013年11月啟動(dòng)的PolyGraph項(xiàng)目正開(kāi)發(fā)提供工業(yè)規(guī)模量的石墨烯增強(qiáng)熱固性聚合物（TSP）生產(chǎn)技術(shù)，這是由英國(guó)NetComposites公司

16、牽頭的歐盟多方合作項(xiàng)目。2013年3月，美國(guó)科學(xué)家研發(fā)出以石墨烯技術(shù)為基礎(chǔ)的超級(jí)電容器，充電速率遠(yuǎn)高于普通電池，用其為一部iPhone手機(jī)充滿(mǎn)電僅需5秒鐘，2013年5月，美國(guó)西北大學(xué)研發(fā)石墨烯墨水，可用于軟性電子產(chǎn)品。在2014年3月，美國(guó)能源部國(guó)家直線(xiàn)加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC）和斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)研究首次揭示了石墨烯插層復(fù)合材料的超導(dǎo)機(jī)制，該研究有助于推動(dòng)石墨烯在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出高速晶體管、納米傳感器和量子計(jì)算設(shè)備。同樣在2014年，美國(guó)科學(xué)家利用石墨烯在紅外傳感器技術(shù)上有了全新的突破。他們將石墨烯技術(shù)用于紅外線(xiàn)圖像傳感器的制造，設(shè)計(jì)了體積很小的圖像傳感器，不同于目前常見(jiàn)的中紅外和遠(yuǎn)紅外

17、圖像傳感器，新技術(shù)無(wú)需笨重的冷卻裝置就能運(yùn)行，首次實(shí)現(xiàn)了在室溫下對(duì)全紅外光譜的觀測(cè)。2013年1月，日本東北大學(xué)多元物質(zhì)科學(xué)研究所與昭和電工聯(lián)合開(kāi)發(fā)出量產(chǎn)優(yōu)質(zhì)石墨烯片的技術(shù)，這意味著在利用石墨烯作為汽車(chē)的電池材料及輕量高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料方面邁出了重要一步。2013年7月，日本名古屋大學(xué)的研究小組開(kāi)發(fā)出像馬鞍一般彎曲的碳納米分子，并將這種碳納米分子命名為“彎曲納米石墨烯”，有望在電子元件和醫(yī)療等領(lǐng)域得到應(yīng)用。美國(guó)IBM公司研究人員在2014年3月利用主流硅CMOS工藝制作世界上首個(gè)多級(jí)石墨烯射頻接收器，并進(jìn)行了字母為“I-B-M”的文本信息收發(fā)測(cè)試，這款接收器是迄今為止最先進(jìn)的全功能石墨烯集成電路，

18、可使智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴電子產(chǎn)品等電子設(shè)備以速度更高、能效更低、成本更低的方式傳遞數(shù)據(jù)信息。2015年1月，西班牙Graphenano公司（一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司）同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車(chē)最多能行駛1000公里，而其充電時(shí)間不到8分鐘。2.5中國(guó)近幾年對(duì)石墨烯的發(fā)展研究成果2013年中科院重慶研究所用化學(xué)氣相沉積法成功制備出國(guó)內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯,并成功地將石墨烯透明電極應(yīng)用于電阻觸摸屏上,制備出7英寸石墨烯觸摸屏。2014年3月20日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所陳成猛課題組與清華大學(xué)

19、和中科院金屬研究所相關(guān)團(tuán)隊(duì)合作，成功研制出高導(dǎo)熱石墨烯/炭纖維柔性復(fù)合薄膜，其厚度在10200 m之間可控，室溫面向熱導(dǎo)率高達(dá)977 W/m·K，拉伸強(qiáng)度超過(guò)15 Mpa2014年4月，青島科技大學(xué)與美國(guó)密蘇里州立大學(xué)和美國(guó)勞倫斯-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，聯(lián)合開(kāi)發(fā)石墨烯基太陽(yáng)能電池，成本比傳統(tǒng)的要降低一半多。2014年3月，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所在實(shí)現(xiàn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化制備的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展石墨烯/高分子復(fù)合體系相關(guān)研究，揭示石墨烯與高分子基體之間的非共價(jià)建結(jié)合機(jī)理，由此提出非化學(xué)法改善高分子與石墨烯間界面粘結(jié)的新方法。2014年3月，清華大學(xué)化工系張強(qiáng)、魏飛教授研究組成功制備出一種具有自分散、不堆疊特性的柱撐石墨烯。課題組通過(guò)催化氣相生長(zhǎng)調(diào)變石墨烯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獲得了具有突起結(jié)構(gòu)的石墨烯。該柱撐石墨烯用于鋰硫電池正極時(shí)，其材料的能量密度、功率密度顯著優(yōu)于商用鋰離子電池所用正極材料，在電動(dòng)汽車(chē)、個(gè)人電子產(chǎn)品、以及大規(guī)模儲(chǔ)能中具有潛在的應(yīng)用前景。2015年03月02