石墨烯研究报告.docxVIP

认识石墨烯 新型材料石墨烯的发现 2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim) 教授和康斯坦丁.诺沃肖洛夫教授等制备出了石墨烯。海姆和他的同事偶然中发现了一种简单易行的新途径。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用普通的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。 　　 据Geim说，还有一个哥伦比亚教授也在同时研究石墨烯，他们是用“高科技”一点的方法——用AFM显微镜的原子钢针甩一下石墨表面1-3个原子厚的地方，希望能带下一些石墨烯，可惜计划失败，胶带法赢了AFM法。 斯德哥尔摩2010年10月5日，瑞典皇家科学院宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·K·海姆和康斯坦丁·沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。 2 石墨烯的结构 石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定；随着所连接的碳原子数量不断增多，这个二维的碳分子平面不断扩大，分子也不断变大。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将将近有150 万层左右的石墨烯。 图1、石墨烯的发现人和分子结构 石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。 这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。 3 石墨烯的超级物理特性 石墨烯是目前已知的最薄的一种材料，单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度，这种厚度的石墨烯拥有了许多石墨所不具备的特性。 ①导电性极强：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1/300，正因如此，石墨烯拥有超强的导电性。 ②超高强度：石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1-2 级，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度将比莫氏硬度10 级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲。 ③超大比表面积：由于石墨烯的厚度只有一个碳原子厚，即0.335纳米，所以石墨烯拥有超大的比表面积，理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630 m2/g，而普通的活性炭的比表面积为1500 m2/g，超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。 二、石墨烯的应用领域 1 石墨烯基处理器运行速度将达1000GHz 多晶硅目前已经成为半导体产业的基础原料，被大量应用于集成电路的基质，有着“微电子大厦的基石”之称。随着制作工艺的不断提升，目前硅基芯片的运行速度已经达到了GHz的级别。 随着技术的不断进步，对于计算机运行速度的要求也不断提高，目前的硅基集成电路的发展受到了本身材料的限制，在室温下硅基处理器的运行速度达到4-5GHz 后就很难在继续提高。石墨烯拥有比硅更高的载流子迁移率（即载流子在电场作用下运动速度快慢的量度），是一种性能非常优异的半导体材料，电子在石墨烯中的运行速度能够达到光速的1/300，要比在其他介质中的运行速度高很多，而且只会产生很少的热量。使用石墨烯作为基质生产出的处理器能够达到1THz（即1000GHz）。石墨烯未来很可能成为硅的替代者，成为半导体产业新的基础材料。 全球半导体晶硅的市场发展稳定，据半导体协会统计，2010 年全球电子多晶硅的需求量将在2500 吨左右，未来两年仍将保持每年8%的稳定增长率。石墨烯集成电路技术成熟将会带来一次新的革命。如果未来全球每年有十分之一的高端计算机有运用石墨烯基集成电路，替换多晶硅所需要的石墨烯就需要250 吨，按照目前市价2000 元/克计算，石墨烯在集成电力领域的潜在市场就达到了5000 亿元以上。 石墨烯提升锂离子电池性能 锂离子电池已经成为当前用途最广泛、前景最广阔的电池能源，其结构由正极、负极、隔膜和电解液组成，隔膜一般使用聚乙烯薄膜，电解质主要是高氯酸锂等锂盐溶液构成。 充电时，锂离子从正极拖嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到负极；放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到正极中。 图 4：锂离子电池的结构和充放电原理 锂离子电池负极材料经历了从焦炭类碳材料到石墨类碳材料的发展，电池的性能得到了大幅的提升，石墨类碳材料目前已经成为最主流的负极材料。 碳材料根据其结构特点可以分为