比鉆石還硬的材料 -石墨烯 教學(xué)課件

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的電梯宇宙比鉆石還硬的材料

——石墨烯計算機學(xué)院六隊：劉飛主要內(nèi)容石墨烯材料的性質(zhì)石墨烯材料的制備石墨烯材料的展望石墨烯材料的簡介石墨烯材料的應(yīng)用一、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〕的根本單元，具有極好的結(jié)晶性、力學(xué)性能和電學(xué)質(zhì)量。石墨烯的理論比外表積高達2600m2Pg,具有突出的導(dǎo)熱性能(3000W·m-1·K-1)和力學(xué)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(dǎo)率等一系列性質(zhì),因而備受關(guān)注?？邓固苟　ぶZ沃肖洛夫安德烈·海姆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〕的根本單元二、石墨烯材料的制備1、機械剝離法通過機械力從新鮮石墨晶體的外表剝離石墨烯片層。2、加熱SiC法通過加熱單晶SiC脫除Si，在單晶(0001)面上分解出石墨烯片層。Berger等人已經(jīng)能可控地制備出單層.或是多層石墨烯。據(jù)預(yù)測這種方法很可能是未來大量制備石墨烯的主要方法之一。3、模板法1988年京谷隆等利用模板法在蒙脫土的層間形成了石墨烯片層，一旦脫除模板，這些片層就會白組裝形成體相石墨。一些研究小組正在探索如何利用二維模板的孔隙制備可自由存在的單層石墨烯片層，但至今尚無令人滿意的結(jié)果報道。4、晶膜生長利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種〞出石墨烯.5、化學(xué)法1、機械剝離法以1mm厚的高取向高溫?zé)峤馐珵樵?在石墨片上用干法氧等離子體刻蝕出一個5μm深的平臺(尺寸為20μm—2mm,大小不等),在平臺的外表涂上一層2μm厚的新鮮光刻膠,焙固后,平臺面附著在光刻膠層上,從石墨片上剝離下來。用透明光刻膠可重復(fù)地從石墨平臺上剝離出石墨薄片,再將留在光刻膠里的石墨薄片在丙酮中釋放出來,將硅片浸泡其中,提出,再用一定量的水和丙酮洗滌。這樣,一些石墨薄片就附著在硅片上。將硅片置于丙酮中,超聲除去較厚的石墨薄片,而薄的石墨薄片(d<10nm)就被牢固地保存在SiO2外表上(這歸結(jié)于它們之間較強的范德華力和毛細管作用力)。2、加熱SiC法首先,樣品經(jīng)過氧化或H2刻蝕外表處理,然后在超高真空下(1×10-10Torr)經(jīng)電子轟擊加熱到1000℃,除去氧化物,并用俄歇電子能譜(AES)監(jiān)測,當(dāng)氧化物完全去除后,加熱樣品至1250—1450℃,這時將形成石墨烯層,石墨烯的厚度與加熱溫度相關(guān),且可通過AES(入射能為3keV)中Si(92eV)和C(271eV)的峰強度測定石墨烯的厚度。5、化學(xué)法通過Diels2Alder反響Pd催化的Hagihara2Sonogashira,Buchwald2Hartwig或KumadaPNegishi偶合等先合成六苯并蔻(HBC),然后在FeCl3或Cu(OTf)2-AlCl3作用下環(huán)化脫氫得到較大平面的石墨烯。三、石墨烯材料的性質(zhì)1、力學(xué)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到達了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測算，這一結(jié)果相當(dāng)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(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)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。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(xué)發(fā)現(xiàn)刊登于近期的?科學(xué)?雜志，作者是兩位哥倫比亞大學(xué)的研究生，來自中國的韋小丁和韓裔李琩鈷。ChangguLee,etal.GrapheneMeasurementoftheElasticPropertiesandIntrinsicStrengthofMonolayerScience321,385(2021);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(xué)家們進行這種電梯的開發(fā)實現(xiàn)人類夢想2、出色的電學(xué)性質(zhì)——電子運輸碳原子有四個價電子，這樣每個碳原子都奉獻一個未成鍵的π電子，這些π電子與平面成垂直的方向可形成軌道，π電子可在晶體中自由移動，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。此外，石墨烯是具有零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)。3，導(dǎo)電性石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)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(dǎo)電性。石墨烯最大的特性是其中電子的運動速度到達了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導(dǎo)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(dāng)?shù)牟煌该鞫龋嚎梢晕沾蠹s2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對論性的表達。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。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預(yù)磁阻石墨烯電子性質(zhì)用量子力學(xué)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(dǎo)電體各向異性超電容性………………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，拉伸試驗說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(dāng)。微電子領(lǐng)域

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(xué)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。石墨烯可作為宇宙學(xué)研究的平臺精細結(jié)構(gòu)常數(shù)是物理學(xué)中一個重要的無量綱數(shù)，用希臘字母α表示，它與量子電動力學(xué)有著緊密的淵源。它將電動力學(xué)中的電荷e、量子力學(xué)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α=(e^2)/(2ε0*h*c)(其中e是電子的電荷，ε0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答復(fù)。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(dāng)?shù)牟煌该鞫龋梢晕沾蠹s2.3%的可見光。而相關(guān)的理論研究也說明，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。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五、石墨烯的展望電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場效應(yīng)管進一步減小器件開關(guān)時間，THz超高頻率的操作響應(yīng)特性探索單電子器件在同一片石墨烯上集成整個電路其它潛在應(yīng)用包括