石墨烯

—世界上最薄最堅(jiān)硬的納米材料目錄12345石墨烯發(fā)現(xiàn)及簡(jiǎn)介石墨烯特性石墨烯制備及產(chǎn)業(yè)化石墨烯利用前景石墨烯對(duì)人類和環(huán)境的潛在影響石墨烯發(fā)現(xiàn)及簡(jiǎn)介石墨烯〔Graphene〕由碳原子以sp2雜化軌道組成由碳原子和其共價(jià)鍵所形成的原子尺寸網(wǎng)六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜一個(gè)碳原子厚度二維材料根本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中別離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)〞為由，共同獲得2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯發(fā)現(xiàn)及簡(jiǎn)介AKGeim&KSNovoselov.NatureMaterials6,183-191(2007)石墨烯發(fā)現(xiàn)及簡(jiǎn)介石墨烯的同素異形體富勒烯納米管石墨單層石墨烯翹曲成零維卷成一維堆垛成三維石墨烯發(fā)現(xiàn)及簡(jiǎn)介AKGeim&KSNovoselov.NatureMaterials6,183-191(2007)石墨烯特性強(qiáng)度高電阻率低導(dǎo)熱系數(shù)高透光性好room-temperatureelectronmobilityof2.5?×?105?cm2?V?1?s?1aYoung’smodulusof1?TPaandintrinsicstrengthof130?GPaveryhighthermalconductivity，above3000?W?mK?1opticalabsorptionofexactlyπα?≈?2.3%completeimpermeabilitytoanygasesabilitytosustainextremelyhighdensitiesofelectriccurrentReadilychemicallyfunctionalizedKSNovoselovetal.Nature490,192-200(2021)幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光制成厚度相當(dāng)塑料包裝袋厚度的薄膜，能承受兩噸重物電子遷移速率快，到達(dá)光速的1/300導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/〔m·K〕結(jié)構(gòu)穩(wěn)定外部機(jī)械力使碳原子面彎曲，原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力石墨烯特性雙電極電場(chǎng)效應(yīng)手性量子霍爾效應(yīng)石墨烯電學(xué)性能

AKGeim&KSNovoselov.NatureMaterials6,183-191(2007)石墨烯制備及產(chǎn)業(yè)化液相剝離液相剝離〔Liquid-phaseexfoliation〕：將少量的石墨分散于具有外表張力的溶劑中，形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，此時(shí)溶劑可以插入石墨層間，進(jìn)行層層剝離，制備出石墨烯。質(zhì)量高、產(chǎn)率低?；瘜W(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積〔Chemicalvapordeposition，CVD〕：以單晶鎳為基片的管狀簡(jiǎn)易沉積爐，通入含碳?xì)怏w，其在高溫下分解成碳原子沉積在鎳的外表，形成石墨烯，通過(guò)輕微的化學(xué)刻蝕，使石墨烯薄膜和鎳片別離得到石墨烯薄膜。本錢(qián)高、工藝復(fù)雜。SiC合成SiC合成法〔SynthesisonSiC〕：將經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的SiC在高真空下通過(guò)電子轟擊加熱，除去氧化物，然后使樣品升溫至1000℃以上，Si升華形成石墨烯。本錢(qián)高、操作溫度過(guò)高。石墨烯制備及產(chǎn)業(yè)化機(jī)械分離機(jī)械別離〔Mechanicalexfoliation〕：最普通的是微機(jī)械別離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來(lái)，如用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進(jìn)行摩擦，體相石墨的外表會(huì)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。產(chǎn)率低、僅供實(shí)驗(yàn)研究。氧化還原法氧化復(fù)原〔Oxidation-reduction〕：將天然石墨與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化性物質(zhì)反響生成氧化石墨(GO)，經(jīng)過(guò)超聲分散制備成氧化石墨烯(單層氧化石墨)，然后參加復(fù)原劑去除氧化石墨外表的含氧基團(tuán)，如羧基、環(huán)氧基和羥基，得到石墨烯。宏量制備產(chǎn)生廢液污染、石墨烯品質(zhì)不高存在缺陷。取向附生法取向附生〔Epitaxy〕：讓碳原子在1150℃下滲入釕，然后冷卻到850℃，之前吸收的大量碳原子就會(huì)“浮〞到釕外表，鏡片形狀的單層碳原子“孤島〞布滿整個(gè)基質(zhì)外表，最終生長(zhǎng)成完整的一層石墨烯。本錢(qián)高、厚度不均勻。石墨烯制備及產(chǎn)業(yè)化KSNovoselovetal.Nature490,192-200(2021)石墨烯利用前景石墨烯利用前景KSNovoselovetal.Nature490,192-200(2021)Grapheneelectronics中等品位的石墨烯：觸屏、可折疊電子紙、可折疊有機(jī)發(fā)光二極管〔LED燈〕高品位的石墨烯：高頻晶體管、邏輯晶體管、薄膜晶體管石墨烯利用前景石墨烯利用前景KSNovoselovetal.Nature490,192-200(2021)Photonics光學(xué)偏振控制器、光電探測(cè)器、光調(diào)制器、鎖模激光、太赫茲發(fā)生器等石墨烯利用前景Energygenerationandstoragesupercapacitor超級(jí)電容器固有的優(yōu)異導(dǎo)電性能具備孔結(jié)構(gòu)耐高溫抗氧化過(guò)程高外表積的石墨烯電極用膜隔開(kāi)；充電時(shí)，電解質(zhì)中陰離子〔白球和藍(lán)色球〕和陽(yáng)離子〔紅色球〕在石墨烯外表附近積累，形成雙電層太陽(yáng)能電池鋰離子電池超級(jí)電容器石墨烯利用前景Grapheneforsensorsandmetrology諾基亞石墨烯光電傳感器石墨烯對(duì)環(huán)境變化極為敏感帶有石墨烯光電收集層的光電探測(cè)器，由一系列手指狀的電極被安置在石墨烯收集層上，用來(lái)收集光子透過(guò)時(shí)產(chǎn)生的電子空洞，石墨烯納米帶作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)隨之產(chǎn)生的電流進(jìn)行放大，并將其轉(zhuǎn)移到相連的電子控制元件上。多層探測(cè)和放大層被互相疊放，以此來(lái)吸收和過(guò)濾相應(yīng)顏色的光。石墨烯利用前景Bioapplications基因測(cè)序藥物傳遞用石墨烯制成一個(gè)尺寸大約為DNA寬度的納米洞，讓DNA分子從中通過(guò)，測(cè)量DNA分子通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的微小電壓差異，就可以知道是哪一個(gè)堿基正在通過(guò)納米洞。通過(guò)調(diào)整石墨烯的親水親脂性能，使其與生物膜之間可以良好交互作用，到達(dá)藥物傳遞目的。石墨烯利用前景OtherUses抗菌效用海水淡化石墨烯過(guò)濾器遠(yuǎn)優(yōu)于其它海水淡化技術(shù)，與水分子分解發(fā)電技術(shù)結(jié)合，水、電可成為廉價(jià)產(chǎn)品石墨烯氧化物對(duì)于抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)超級(jí)有效，而且不會(huì)傷害到人體細(xì)胞涂料石墨烯基涂料可用于導(dǎo)電油墨，抗靜電，電磁干擾屏蔽，和氣體阻隔的應(yīng)用多孔材料物理研究“碳海綿〞具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對(duì)有機(jī)溶劑具有超快、超高的吸附力電子在石墨烯里遵守相對(duì)論量子力學(xué)，沒(méi)有靜質(zhì)量，幫助物理學(xué)家在量子力學(xué)領(lǐng)域取得新突破石墨烯對(duì)人類和環(huán)境的潛在影響

石墨烯對(duì)人類和環(huán)境的潛在影響石墨烯納米粒子的鋸齒邊緣非常鋒利和強(qiáng)勁，能夠切開(kāi)人體細(xì)胞并破壞其內(nèi)容物。石墨烯材料與人體細(xì)胞如何作用并不清楚。當(dāng)石墨烯被釋放到地表水中時(shí)，它的硬度會(huì)增大，吸附的的有機(jī)材料也更少，它很快就會(huì)變得不穩(wěn)定，既不能發(fā)生沉淀，也不能隨水的流動(dòng)而被帶走?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】TheRiseofGraphene.AKGeim&KSNovoselov.NatureMaterials6,183-191(2007)ARoadMapforGraphene.KSNovoselovetal.Nature490,192-200(2021)