石墨烯 “神奇材料”介绍与 应用前景.pdfVIP

【石墨烯】“神奇材料”介绍与应用前景 【】 “神奇材料”介绍与 应用前景 (第 23 页) (第 28 页) (第 29 页) (第 30 页) (第 33 页) (第 35 页) 第  1 页/共 35 页  【石墨烯】“神奇材料”介绍与应用前景 2010 年的诺贝尔物理学奖由成功分离石墨烯的研究人员获得。石墨烯具备很多超越单层石墨的特殊性质。旨在 应用石墨烯的研发机会也在全球范围内急剧增加。石墨烯或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、 触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。 （照片：（a ）LBNL，（b）富士通，（c ）产综研，（d，e ）曼彻斯特大学） “神仙创造的材料”。日本企业的一名技术人员如此形容单层石墨碳材料“石墨烯”。这是因为石墨烯在很多方面 具备超越现有材料的特性（图 1）。石墨烯的出现，有望从构造材料到用于电子器件的功能性材料等广泛领域引发 材料革命。 第 2 页/共 35 页  【石墨烯】“神奇材料”介绍与应用前景 图 1：“神奇材料”石墨烯的特点 石墨烯所具备的“最强性质” （a ），以及其他材料所不具备的“独特性质” （b）。 能够承载汽车的吊床 单层石墨烯的厚度非常薄，只有一个碳原子厚，约为 0.34nm。但强度却与金刚石相当，非常坚硬。瑞典皇家 科学院（Royal Swedish Academy of Sciences）在发表2010 年物理学奖时曾这样比喻其强度，“利用单层石墨烯制 作的吊床可以承载一只 4kg 的兔子”。还有估算显示，如果重叠石墨烯薄片，使其厚度与食品保鲜膜相同的话，便 可承载 2 吨重的汽车。 石墨烯用作电子器件材料会带来更大效果。单层石墨烯中的电子与空穴（Hole）载流子迁移率有望在室温下最 2 2 大达到硅（Si ）的 100 倍即 20 万 cm /Vs 。这一数值远远超过以往被认为载流子迁移率最大为7.7 万 cm /Vs 的锑化 2 铟（InSb）。而石墨烯室温下的电阻值却只有铜（Cu ）的2/3。人们还发现，石墨烯可耐受 1 亿～2 亿 A/cm 的电 流密度，这是铜耐受量的 100 倍左右。载流子迁移速度很快，可达到光的 1/300。传热率与金刚石相当，再加上其 薄片形状，所以石墨烯作为划时代的散热材料备受期待。 第 3 页/共 35 页  【石墨烯】“神奇材料”介绍与应用前景 有望实现超高速 FET 及激光器 许多研究机构及厂商已开始以具备多项穿透特性的单层石墨烯为对象，研发新一代器件的实用化（图 2）。主 要开发对象之一是利用石墨烯的高载流子迁移率及高迁移速度制作的 THz 频率的晶体管。理论上估计其工作频率可 达到 10THz。 图 2：应用领域从原子尺寸扩大到宇宙 石墨烯的用途分为特殊尺寸用途，电子器件用途及构造