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石墨烯的真相

石墨烯广场2018-06-20 19:58:14

石墨烯是一种单层碳聚合物。


石墨烯是由纯碳制成的。它是一种碳原子排列在一个单一层中的材料,形成一种蜂窝模式。应该强调的是,这层碳只有一个原子厚, 尽管一些创始者认为高达十层的碳形成石墨烯。 如果我们将十层或更多层的石墨烯叠加,由此产生的物质将被称为石墨,这就是我们使用的铅笔心了。


石墨烯是Hanns Peter Boehm创造的术语。有些科学家使用“零带隙半导体”这一短语来指石墨烯。众所周知其拼写也在发生变化,比如grafene以及graphen,但是那些英文拼写是不正确的,虽然他们可能在其他语言中是有效的。


如果你有兴趣制作自己的石墨烯, 请向下滚动到如何在家制作石墨烯或者只访问有DIY石墨烯指令的单独页面。如果你已经听说了用光速写DVD驱动器制造石墨烯的话,你会想向下滚动,但是需要将一些氧化石墨作为出发点。如果你想在石墨烯或石墨烯相关的技术上投资,看看如何投资石墨烯。


发现石墨烯

石墨烯在理论上由Philip R.Wallace在他的名为“石墨的能带理论”的作品中预测,并于1947年发表在《物理评论》上。石墨烯是在2003年由曼彻斯特大学的安德烈·海姆以及科斯特亚·诺沃肖洛夫发现的,而且结果于2004年公布于众。因为这项工作,他们在2010年被授予了诺贝尔奖。为了澄清这一点,即使自20世纪70年代以来石墨烯在各种单晶衬底上成功生长,直到2003年石墨烯最终才以自由形式分离出来。有趣的是,要知道他们是用普通胶带生产小批量的石墨烯。这是非常重要的,因为处于自由状态而不是结合到支持晶体结构时,石墨烯的电性和物理性质是截然不同的。


石墨烯的性质

石墨烯有一些非常有趣的性质。正如我们所了解的,石墨烯是一种仅由碳原子组成的蜂窝结构。我们正在尽最大的努力以外行人的角度来解释这些性质。如果你宁愿自己看到这些数字,链接我们的资源,请访问我们的网页石墨烯的性质。 如果你正在做一些科学研究,或者只需要看看在哪里找准确的信息,那一页就可以派上用场了。除非另有说明,这篇文章的重点还是自由形式的石墨烯。


电子传输系统和电子迁移率



石墨烯一个非常重要的性质是其独一无二的电子传输系统以及由此而产生的高电子迁移率。电子迁移率描述了一个电子在一种物质中移动时速度有多快。 由于金属和半导体在电子产品中的应用,他们是有特殊的利益。

在和晶格的相互作用中,电子的速度受到了限制。通俗的说,当一个电子在材料中移动时,它与原子碰撞而构成了材料,而且那些碰撞让电子的速度慢了下来,限制了其最大速度(因此加热材料,为从事此事的工作者造成了噩梦)。当然事实是有一点儿复杂,但这种近似对于这次讨论来说足够好了。


虽然作为现代微电子学的主要成分的硅具有<1400cm 2 / Vs的电子迁移率,但是石墨烯具有200000cm 2 / Vs的电子迁移率,几乎比硅高200倍。 这意味着电子通过石墨烯移动得更快。


石墨烯在速度上击败了硅


从这个事实来看,基于石墨烯的电子器件理论上可以以比常规硅基器件高近200倍的速度工作。IBM研究人员成功地实现了在40纳米栅长的石墨烯FET转换高达280 GHz的截止频率。科学家期望在2013年看到石墨烯FET截止频率高达600 GHz,而如果栅极长度保持几个纳米,理论极限会高达约10 THz。相比之下,硅锗(SiGe)晶体管在低于100GHz时可以达到最大工作的频率。希望石墨烯的突破将保持摩尔定律。


低电阻率


另一个与高电子迁移率紧密相连的石墨烯属性是它的低电阻率。石墨烯片的电阻率为10 -6Ω* cm。从这个数字的角度来看,石墨烯的电阻率低于在室温下银的电阻率。顺便一提,在室温下,银是科学家已知的最低电阻率材料 - 也就是说,直到石墨烯出现为止。


为什么自由形式的石墨烯更胜一筹?


自由形式的石墨烯用作电子的波导。这意味着,他们可以以在真空中光速的约1 / 10的速度没有碰撞的自由流动。然而,当石墨烯生长于基质上,比如二氧化硅,其电子迁移率降低了五倍。电子迁移率降低是石墨烯敏感的电子轨道导致的,当与其它材料接触时,其改变形状。这就是为什么科学家正在研究如何更有效地制造并与自由形式的石墨烯相互作用。


到目前为止,石墨烯可能听起来像一种非常酷的材料。如果你对制作自己的石墨烯感兴趣,请阅读怎样制作石墨烯或者只要继续浏览,信息就在下一张网页。


石墨烯晶体管以及石墨烯的逻辑


数字电路中的晶体管有两个不同的状态,开和关(晶体管实际上具有除了ON和OFF之外的若干不同状态,但是这两个在本讨论中是主要关注的状态)。纯石墨烯即使在OFF状态下也通过传导大量的电流而产生问题。石墨烯在OFF状态下传导电流,因为它是一种零带隙半导体。 零带隙半导体不需要外部电场而使自己变得导电。结果:石墨烯逻辑门具有高静态功耗 - 它们在器件导通和关断时都消耗功率。有两种方法来解决这个问题:缩短栅极长度或使用掺杂的石墨烯。


石墨烯可以按照掺杂硅晶体的相同方式掺杂。当掺杂钾离子时,电子迁移率可以降低高达20倍。 在这种情况下,受控的电子迁移率降低是期望的效果。需要更多的研究以显示最佳的掺杂剂及其浓度。


自愈性


石墨烯一个很有趣的属性是自愈性。这意味着如果我们从石墨烯片内的任何位置除去碳原子,然后将这片石墨烯暴露于碳原子或一些含碳分子的环境中,则其中之一将完美地卡入到位,填充由除去的碳原子而产生的孔,并符合六边形形状。 自愈能力对于纳米技术是非常重要的,因为单个杂散离子可以在纳米结构中打孔,从而使其无用。如果纳米结构可以自愈,那么其便可以承受恶劣的环境带来的影响。


导热性


石墨烯是一种极好的热导体。事实上,它能有效地传导热量,这样你就可以使用石墨烯片切割冰块。 当你握住石墨烯时,它会吸收来自于你手指的热量,并将热量转移和集中到石墨烯“叶片”与冰接触的一个小区域。冰瞬间融化,在它融化之时,越来越多的热量从你的手通过石墨烯最终到冰,进一步将冰融化。


相对材料强度与重量


轻质石墨烯基材料。


这个令人振奋的新材料是科学已知最强的材料之一。由于其单原子厚度,石墨烯可以包装在小体积中,同时保持极高的表面积。 一平方米(10.7平方英尺)的石墨烯重量在1毫克。这使其在与别的高比面积材料相比时在重量面积以及体积比率方面更胜一筹。尽管其非常坚固,但碳层只有一个原子厚,容易断裂。这使得用石墨烯工作是一个具有挑战性的任务。科学家们已经在石墨烯的基础上开发了新材料,其利用了石墨烯的独特性质,同时使其厚到足以承受更高的应力。


如何购买石墨烯?


石墨烯可以从一些线上和线下经销商手中买到。目前,石墨烯的价格并不是很有吸引力:对于1克纯的,3nm过滤的石墨烯纳米粉末,约300美元(约250欧元)。当然,石墨烯价格有望随着厂商数量的增加而减少。另外,如果你想赚钱而不是花钱,看看 如何投资石墨烯。


事实证明,许多读者想在家里制作石墨烯,所以这是透露一次:你可以自己制造少批量的石墨烯!然而,尽管可能,但要做大量的石墨烯却不容易。事实上,在撰写本文时,科学家们仍然不知道如何有效地使大量高品质的石墨烯,因为技术过程尚未开发。不过,少批量制作石墨烯却很简单。


你能够在DIY条件下的位的长度只有几个纳米,所以要忘记宏观石墨烯片石墨烯条。你可以自己制作的最大的一块石墨烯是0.25平方毫米(但你会制作大量的石墨烯)。做出的这块石墨烯不会比这个网页上的感叹号大多少!在工业应用中,科学家们用栅极长度在25nm以下的石墨烯制作晶体管...所以你的点大小的石墨烯,虽然它看起来小得多,但可以用来制造数百个晶体管。仍旧有兴趣制作石墨烯吗?非常棒,继续读下去!


方法1:胶带


第一种DIY方法是使用铅笔在纸上沉积厚厚的石墨层。然后用普通的胶带从纸上剥离一层石墨。使用另一块胶带从第一块胶带上去除一层石墨。然后,使用第三块未使用的胶带从第二块胶带上除去一层石墨,以此类推。最终,石墨层将变得越来越薄,并且最终将石墨烯,其实严格意义上来说是单层石墨,或双层或几层石墨(在某些用途中几乎像石墨烯一样起作用)。即使这种制造石墨烯的方法只是一个对概念的验证,胶带法是有效的。这种方法需要耐心和时间,但是这是2004年曼彻斯特团队使用的制作方法。而且要牢记,他们在这项工作上赢得了诺贝尔奖,所以并没有一团乱七八糟的胶带。


方法2:厨房搅拌机

一组科学家的文章发表于2014年4月20日,文章中他们描述了如何使用称作液体剪切剥离的方法来制作石墨烯。在这里你可以找到文章的摘要,但是全文需要付费。


在液体中剪切剥离的方法开始是将粉末晶体倾倒在液体中,然后使用剪切混合器将材料层从晶体中分离(剥离)。选择会用于此工艺过程中的液体,使得小石墨烯颗粒不会团聚到一起,结果得到的是石墨烯的液体悬浮液。然后可以将悬浮液干燥以获得石墨烯纳米片,或者其可以直接用于以后的工艺过程中,例如制备石墨烯涂层等。


所以,如何使用这种方法在家中制造石墨烯呢?好吧,你可以用厨房的搅拌机来替代剪切机(因为剪切混合是一个高科技混合的较花哨的词汇),而且你可以用水和洗碗精而不是用特殊的液体。添加清洁剂可以让粒子不会聚集,并且可以作为一种表面活性剂。石墨铅笔富含石墨粉。只需要一些铅笔芯的铅粉,并将铅粉加入洗涤剂溶液中,然后混合一段时间。 除非你有机会获得特殊的显微镜等设备,不然可能无法在您的洗涤剂溶液中确定石墨烯的存在,但有一个快速的经验法则,你可以用来估计粒径大小。一般来说,如果石墨烯颗粒太大,他们会沉到容器的底部,而如果他们是较小的,他们将浮到顶部。 纳米颗粒很小,它们将悬浮在水中,如果你想制作石墨烯,这便是你想要的。在制备了足够的石墨烯颗粒后,您可能需要过滤悬浮液并将其干燥。


话虽这么说,虽然上文中有描述这种制造石墨烯的方法,并为研究人员所用,但在家中用这种方法制作石墨烯时不要太兴奋。它这种方法会很杂乱,而且制作出的都是非常小的纳米石墨烯片,不要向你的朋友吹嘘,除非在你的地下室有一个高科技实验室,并且你打算使用它们制作石墨烯晶体管。另一方面,这种技术以及超声处理辅助液相剥离技术可以限定未来在工业环境中如何制造石墨烯,因为其具有可扩展性。


方法3:DVD刻录机-光雕技术的方法

使用这种方法获得的石墨烯,配方要求具有光雕技术的DVD机驱动以及一些氧化石墨。你可以从制造商那里获得氧化石墨,或者为了这个实验你可以在家里做一些氧化石墨。如果你想了解如何在家做氧化石墨, 向下滚动到下一节


氧化石墨具有水溶性,所以在把它与水混合后,小心地放在一个光盘上。确保氧化石墨溶液均匀地分布在光盘的塑料表面上。待溶液干燥并在光盘上形成一层氧化石墨膜后,将光盘放入DVD驱动器,薄膜面朝下。使用光雕软件刻录氧化层。与激光束接触的薄膜区将会变成石墨烯。激光束引起了将石墨氧化物还原为石墨烯的化学反应。将所得石墨烯层小心地从盘上移除并切割成适当尺寸的碎片。这些碎片可以直接用来制作石墨烯超级电容器!这可能也是在家制作石墨烯最简易的方法,但是得假设您能获得氧化石墨以及一个光雕驱动器。


一位读者建议可以用疝气闪光灯来代替光雕DVD激光。如果你有闪光灯,你也可以试试这种方法,并且“联系我们的网站域名”以报道结果。


另一个提示:如果你对于DVD刻录机保修失效会觉得不舒服就不要用这种方法。


方法4:庚烷-水界面形成

浮在水面上的油。


这是到目前为止,我们所听到的最新的DIY石墨烯的配方。它涉及一些流体物理,以解释这里发生了什么。 如果你把一个非水溶性液体进入水中,它会浮在水面上,或者水会浮在水面上,其取决于添加的液体比水更重(密度更大)或更轻(密度较低)。一个常见的例子是石油浮在水面上(见图像)。


一组科学家[1]发现,您可以将两种不会混合的溶剂(例如庚烷和水)倒入玻璃杯中并加入细碎的石墨粉末,将其放入超声处理浴中来制备石墨烯。你可以在大部分的化学品供应商店中购买庚烷,水随时都有(使用蒸馏水是一个好主意),你可以很容易地在艺术品商店获得石墨棒。超声处理浴很有必要,但这些在易趣网以及类似的网站上并不常见。所得石墨烯为1至4层厚,并且其化学性质稳定。可以将其提取并沉积在透明玻璃板或任何其他基材上。


石墨烯在水 - 庚烷界面上。


此想法是将细磨的石墨与水和庚烷(水和庚烷的1:1比例)混合并在超声波中处理一段时间。接下来发生的是石墨薄片在水和庚烷之间的界面处剥离,并且石墨烯在小瓶的玻璃壁上开始“上升”。如果通过界面引入亲水性基底(例如载玻片),石墨烯的薄膜也将爬上载玻片。然后可以提取载玻片,干燥后,您将留下有石墨烯涂层的玻璃。如果使用聚乙烯小瓶,生成的石墨烯将不会爬上小瓶的侧壁,但你仍然可以用玻璃或其他亲水材料制成的载玻片提取。结果显示于右边的图像中。


玻璃上的石墨烯。


此次石墨烯制作过程的最终产品显示于左边的图像上。石墨烯作为薄膜沉积在玻璃板的两侧,且通过观察可以看到其轻微的光吸收性能(石墨烯可吸收约2.3%的可见光)。该方法的解释是石墨烯从水和庚烷之间的界面上的小剥离薄片上自行重新组装,因为石墨烯的表面张力(54.8mN / m)几乎同水的表面张力(72.9mN / m) 和庚烷(20.1mN / m)相符。石墨烯膜的厚度受到界面上的毛细作用力的限制,而且过量的石墨烯会很容易地落到小瓶的底部。厚聚集体的形成受到扩散压制同时在能源需求的要求下形成了新的一层。更多相关信息,请参考原文文献 [ 1 ]


这可能是在家中制作任意一大片石墨烯的最简易的方法,其他方法只是制作石墨烯薄片,但这些薄片可以在这种方法中作为一个细化阶段用来代替石墨薄片。试试看,让我们知道它将会怎样把!