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什么是石墨烯?石墨烯材料有什么特性?

石墨烯是一種平面單層緊密打包成一個二維(2D)蜂窩晶格的碳原子,并且是所有其他維度的石墨材料的基本構(gòu)建模塊。它可以被包裝成零維(0D)的富勒烯,卷成了一維(1D)的納米管或堆疊成三維(3D)的石墨。由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu),無法單獨穩(wěn)定存在,直至2004年,英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,而證實它可以單獨存在,兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由,共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料,它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;導(dǎo)熱系數(shù)高達5300 W/m·K,高于碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s,又比納米碳管或硅晶體(monocrystalline silicon)高,而電阻率只約10-6 Ω·cm,比銅或銀更低,為目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低,電子的移動速度極快,因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體,也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。
 
石墨烯另一個特性是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。
 
石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,碳碳鍵(carbon-carbon bond)僅為1.42Å。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌,當(dāng)施加外力于石墨烯時,碳原子面會彎曲變形,使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力,從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。另外,石墨烯中的電子在軌道中移動時,不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強,在常溫下,即使周圍碳原子發(fā)生擠撞,石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小。
 
石墨烯是構(gòu)成下列碳同素異形體的基本單元:石墨,木炭,碳納米管和富勒烯。完美的石墨烯是二維的,它只包括六邊形(等角六邊形);如果有五邊形和七邊形存在,則會構(gòu)成石墨烯的缺陷。12個五角形石墨烯會共同形成富勒烯。
 
什么是石墨烯?石墨烯材料有什么特性?
石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格結(jié)構(gòu)。
 
石墨烯卷成圓桶形可以用為碳納米管;另外石墨烯還被做成彈道晶體管(ballistic transistor)并且吸引了大批科學(xué)家的興趣。在2006年3月,佐治亞理工學(xué)院研究員宣布,他們成功地制造了石墨烯平面場效應(yīng)晶體管,并觀測到了量子干涉效應(yīng),并基于此結(jié)果,研究出以石墨烯為基材的電路. 
 
石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它是已知材料中最薄的一種,質(zhì)料非常牢固堅硬,在室溫狀況,傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。石墨烯的原子尺寸結(jié)構(gòu)非常特殊,必須用量子場論才能描繪。
 
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