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解密“万能材料”石墨烯,为什么受诺贝尔奖青睐?

(作者:谢立,中国科学院物理研究所 纳米物理与器件实验室 博士研究生 原创文章,未经授权,请勿转载)

导读

手机充电只需几秒钟?史上最薄电灯泡?光驱动飞行器?关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中,似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。石墨烯究竟是什么,到底有什么特性让它备受推崇?

解密“万能材料”石墨烯,为什么受诺贝尔奖青睐?

图1:石墨烯原子结构示意图

1. 传说中的石墨烯到底是什么?

石墨烯与石墨之间有特殊的亲缘关系。石墨这种材料大家可能都比较熟悉,比如说铅笔芯、干电池内部的电极等,其主要成分就是石墨。从微观结构来看,石墨是一种层状材料,由一层一层的碳原子堆叠而成。对于每一层而言,其中的碳原子之间以牢固的共价键相结合,非常稳定。而层与层之间则是以一种比较微弱的作用力相互结合的,从而使得层与层之间比较容易脱离开。因此,厚的石墨是可以很容易地解离成薄的石墨片的。那么,石墨的这种结构就可以形象地类比成一本书,书中的每页纸就类比成一层碳原子。而我们要讲的石墨烯就是石墨这本“书”之中的一页“纸”。

那么这页“纸”有何奇特之处,使之得到诺贝尔奖的青睐呢?最关键就在于石墨烯这页“纸”特殊的结构。首先,石墨烯只有一个原子层的厚度,是人类制备出的第一种真正意义上的二维材料,颠覆了传统理论中“自然界中根本不可能找到稳定存在的二维晶体材料”这一结论。第二,石墨烯中的碳原子是以六角蜂窝的形状按规则排列的(如图一),这种排列方式导致石墨烯拥有非常特殊的电子能带结构,从而使其蕴含了丰富而新奇的物理现象与性质。在凝聚态领域中,材料的电子特性大都用薛定谔方程就可以充分描述。但是石墨烯是个例外,石墨烯中的电子输运遵循的是狄拉克方程,其中的载流子是无质量,是类似于相对论性质的粒子,其有效速度接近于光速。这种材料的发现无疑为凝聚态物理中开辟了一块全新的领域。

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2. “万能材料”石墨烯,万能在哪?

从材料科学的层面讲,石墨烯具有许多特殊而优异的性质,从而具有广泛的应用前景。在此试举几例:

(1)石墨烯具有超高的载流子迁移率和热导率,迁移率是传统硅基材料的几十甚至几百倍。载流子迁移率对于微电子器件来说是一项极其关键的参数,若是迁移率过低,将会导致产热严重、响应频率低下等后果。因此,由于迁移率高、导热好,石墨烯被认为是一种理想的电子器件材料。

(2)在航天科学领域中,石墨烯可以被当做保护层覆盖在一些元件的表面,用来降低因宇宙射线激发的二次电子。

(3)石墨烯具有极好的热稳定性和化学稳定性。石墨烯熔点高达 3652 ºC,耐强酸强碱等恶劣环境,具有极好的稳定性。

(4)石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料,据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜(厚度约100 纳米),它将能承受大约两吨重物品的压力,而不至于断裂。已经有科学家指出,拥有如此强度的材料,有可能成为未来“太空电梯”的首选材料。

(5)带有纳米级的空洞石墨烯,可以用于海水淡化。在生物学研究中,让DNA长链一次经过石墨烯纳米孔,可以进行DNA测序。

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3. 我们在日常生活中能接触到这种材料吗?

通过上文的描述,我们可以知道,石墨烯可以通过减薄石墨来获得。而石墨是自然界中分布十分广泛的材料,在我们日常生活中是经常可以接触到的。最普遍的一个例子就是铅笔,当你用铅笔写字的时候,在纸上留下淡淡的石墨痕迹,实际上这个时候你就在制造石墨烯。

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4. 石墨烯有助于研制超级电池、高级计算机和太空电梯?

关于超级电池:石墨烯有很高的比表面积,这是它能够应用于超级电容器最关键的原因。所谓比表面积,就是单位质量的材料所拥有的表面积。也就是说材料分得越细小,比表面积越大。石墨烯因为只有一个原子层厚度,材料中所有的原子几乎都露出一半来贡献表面积,所以它的比表面积是极高的。用石墨烯制成的超级电容器是可以实现充放电过程的,其存储密度远远高于目前主流的电容器。最近美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器,该电容器不仅外形小巧,而且充电速度为普通电池的1000倍,可以在数秒内为手机甚至汽车充电,同时可用于制造体积较小的器件。

关于高级计算机:这主要涉及石墨烯在集成电路中的应用。①石墨烯良好的导电性能,非常适用于频率不断提升的高频电路;②其超高的载流子迁移率有助于大幅度降低能耗、提升微电子集成器件的运行速度;③石墨烯是透明的材料,可以制成柔软的透明电极,应用可折叠的触摸屏。④现代半导体微加工工艺都是二维平面工艺,即在一个平面上进行掺杂、刻蚀、连电极等基本加工。石墨烯的二维结构与之恰好匹配,传统的微加工工艺完全适用石墨烯微、纳米尺度结构的加工。

关于太空电梯:所谓太空电梯,就是要能将乘客从地面送到三万六千公里高空的空间站的电梯。这就需要一条强度超高的缆绳,前面已经提到,石墨烯是目前所发现的强度最高的材料,所以有科学家提出利用石墨烯做成太空电缆的设想。但是仅仅只是强度这一参数符合要求还不够,就目前的技术来讲,人们还无法制造出如此之长的石墨烯缆绳。因此石墨烯太空电梯还只是停留在设想的阶段。

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