石墨烯的发展.结构及性能简介
石墨烯的发展、结构及性能简介
一、石墨烯的发展
1934年，朗道和佩尔斯就指出了准二维晶体材料由于其自身的热力学不稳定，在常温常压下会迅速分解。菲利普·华莱士1947年就开始研究石墨烯的电子结构。麦克鲁1956年推导出了相应的波函数方程，林纳斯·鲍林1960年曾质疑过石墨烯的导电性。1966年，大卫·莫明和赫伯特·瓦格纳提出 Mermin-Wagner理论，指出表面起伏会破坏二维晶体的长程有序。谢米诺夫1984年得出与波函数方程类型的狄拉克方程。直到1987年，穆拉斯才首次使用“graphene”这个名称来指定石墨稀。
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，从石墨中成功分离出石墨烯，而他们分离的方法也极为简单，他们把石墨薄片粘在胶带上,把有粘性的一面对折，再把胶带撕开,这样石墨薄片就被一分为
二。 通过不断地重复这个过程,片状石墨越来越薄，最终就可以得到一定数量的石墨烯，从而证实石墨烯可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得2010年诺贝尔物理学奖。十余年来，各国科研人员针对石墨烯开展了大量研究工作，试图研制出高效、可控的制备石墨烯纳米带的技术工艺。 基于法国SOLEIL同步加速器X射线等实验的研究成果，法美科学团队成功研制出一种用于生产石墨烯纳米带半导体的方法。科研人员在碳化硅表面刻蚀凹槽，并以此作为基板，通过控制基板的几何形状，在其上形成仅有几纳米宽的石墨烯纳米带。该项技术可在常温下进行，其制备的石墨烯半导体仅为此前IBM公司所制纳米带的五分之一宽。该技术可高效、可控地制备石墨烯半导体，为石墨烯规模化工业生产带来可能，同时也使新一代高密度集成电路的制备不再遥不可及。
二、石墨烯的结构
石墨稀是由碳六元环组成的两维周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成零维的富勒稀，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，因此石墨稀是构成其他石墨材料的基元。石墨稀的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是目前最理想的二维纳米材料。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。
1、石墨稀和其他碳元素的区别
石墨本身并非真正意义上的二维材料，单层石墨碳原子层才是准二维结构的碳材料。石墨可以看成是多层石墨稀片堆垛而成，碳纳米管可以看作是卷曲圆筒状的石墨稀。当石墨稀的晶格中存在五元环的晶格时，石墨稀会发生翘曲，富勒球可以看作通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的。
三．石墨稀的性能
石墨稀是迄今已知强度最大，厚度最小的材料，其强度为钢的100倍，比金刚石还要坚硬，石墨稀中电子最大传输速度达到光速的三百分之一，传输速度比计算机芯片中的硅还要快，石墨稀的室温下具有量子霍尔效应，双极性电场效应等，在室温4K以后具有反常量子效应，所以石墨稀具有巨大的应用背景和前景。
1.导电性极强：石墨稀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，也就保持了稳定的结构，这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，石墨烯的电子在轨道中移动时 不会因晶格缺陷或引入外来原子发射散射。由于原子间作用力很强，在常温下。即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中受电子的干扰也非常小。石墨稀中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或半导体的运动速度。石墨稀中电子最大传输速度达到光速的三百分之一，正因为如此，石墨稀具有超强的导电性。
2.超过强度：石墨稀是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1-2级，但被分离成一个原子厚的石墨稀后，性能则发生突变，其硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又有很好的韧性，且可以弯曲。
3.超大比表面积：由于石墨稀的厚度只有一个碳原子厚，即0.335纳
米，所有石墨稀拥有超大的比表面积，理想单层石墨稀的比表面积比普通的活性碳比表面积大得多。超大的比表面积使得石墨稀成为潜力巨大的储能材料。