Utilisateur:ZHENG Wenjuan/Brouillon1

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石墨烯
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Identification
No CAS 1034343-98-0
Apparence Solide noir mat (graphite)
Propriétés chimiques
Formule (C)n
Propriétés électroniques
Mobilité électronique 200 000–250 000 cm2·V-1·s-1
Cristallographie
Système cristallin Hexagonal plan
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.
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石墨烯是一种由碳原子组成且仅为单个碳原子厚度的平面薄膜；在这种二维材料中，碳原子以sp2杂化轨道组成六边型类蜂巢晶格结构[1][2][3]。作为碳的一种同素异形体，石墨烯同时也是其他同素异形体的主要组成结构，例如石墨、碳纳米管和富勒烯。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至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，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是目前世界上最轻、最薄和最坚硬的材料，不但坚硬无比而且可折叠弯曲，同时还具有极为优异的导热和导电性能并且几乎完全透明[4]。另外，石墨烯展现出强的非线性抗磁性[5]，能够在常温下观察到量子霍尔效应。 石墨烯可由机械剥离及碳化硅表面外延生长等物理或化学方法制备而得[6]。目前，研究者对石墨烯的开发利用主要集中在半导体、电子、能源等领域，其也被誉为未来的最佳储能材料。


简介[modifier | modifier le code]

石墨烯的命名来自英文的graphite（石墨）+-ene（烯类结尾），是汉斯-彼得·贝姆于1962年描述单层碳薄片时首次采用[7]。石墨烯的结构非常稳定，每个碳原子由四个键相连，分别是与三个相邻碳原子连接的σ键和指向平面外的π键，碳原子间的距离仅为1.42Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，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，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。 石墨烯具有优异的导热导电性能：导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石；常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体（monocrystalline silicon）高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子的移动速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。同时由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

结构[modifier | modifier le code]

石墨烯是一种具有二维结构性质的碳的结晶形同素异形体，其碳原子紧密排列于规整的蜂窝状六方晶格结构中[8]。这种六方晶格可以被看作是两个交错的三角形结构，该理论成功用于采用紧密束缚近似方法计算单层石墨的能带结构。 石墨烯的稳定性源于其紧密排列的碳原子以及由s,px,py轨道组合形成sp2杂化轨道构成的σ键。其余的电子在pz轨道构成π键与共轭π键，此种共轭体系允许自由电子通过半充满能带从而实现石墨烯的多种显著性电学特征[9]。

Graphene SPM

片状石墨烯的固体结构通常在石墨（200）晶面衍射中得到证实，对于某些单壁纳米结构亦如此[10]。然而非层状的（hk0）环形石墨烯已在太阳前颗粒石墨洋葱结构核心中被发现[11]。扫描透射电镜显示石墨烯薄片中存在缺陷[12]，表明是从熔体中进行二维结晶的作用。当石墨处于碳分子(如碳氢化合物)作用下时，可自主修复其层状结构中的孔洞；当采用纯碳原子轰击时，原子可完美排列成六边形从而完全填满孔洞[13][14]。 可采用透射电子显微镜研究悬浮于金属网格条状物间的单层石墨烯独立原子结构[15]。电子衍射图案显示了预期的石墨烯蜂窝状晶格结构，悬浮的石墨烯片显示出幅度约为1纳米的高低起伏，由于二维晶体的不稳定性，这些波动可能是材料本身的固有属性[16][17][18]或是由石墨烯TEM图像中无法避免的污垢造成的。通过扫描轨道显微镜（STEM）可观察到SiO2基体上单层石墨烯结构的实空间原子分辨率图像。为了获得此原子分辨率图像必须去除可能会在TEM图像中观察到，或导致波纹出现的“吸附物”光致抗蚀剂残留物。而SiO2表面的波纹是由于石墨烯与下层SiO2构型产生的结果，并非内在属性[19]。

稳定性[modifier | modifier le code]

从头计算法表明如果石墨烯片的尺寸小于20nm则在热力学上是不稳定的（需拥有至少6000个原子，石墨烯才能处于稳定状态）并仅对原子数量大于24000的分子会形成最稳定的富勒烯结构[20]。

类似物[modifier | modifier le code]

类似物（可成为人造石墨）是与石墨烯表现出相同性质的的二维系统，此系统在物理上更便于观察和操作。在这些系统中，电子并非总是被选择的粒子，它们可以是光子[21]，微波光子[22]，等离子体[23]，微腔极化子甚至是原子[24]。同时，由这些粒子所形成的蜂窝状结构可以具有与石墨烯中碳原子不同的性质，分别是：光子晶体，金属棒阵列，金属纳米颗粒，耦合微腔的晶格或光学晶格。

发现历史[modifier | modifier le code]

在本质上，石墨烯是分离出来的单原子层平面石墨。按照这说法，自从20世纪初，X射线晶体学的创立以来，科学家就已经开始接触到石墨烯了。1918年，V. Kohlschütter和P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质（graphite oxide paper）[25]。1948年，G. Ruess和F. Vogt发表了最早用透射电子显微镜拍摄的少层石墨烯（层数在3层至10层之间的石墨烯）图像[26]。

关于石墨烯的制造与发现，最初，科学家试着使用化学剥离法（chemical exfoliation method）来制造石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨层间化合物。在其三维结构中，每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过化学反应处理，除去嵌入的大原子或大分子后，会得到一堆石墨烯烂泥。由于难以分析与控制这堆烂泥的物理性质，科学家并没有继续这方面研究。还有一些科学家采用化学气相沉积法，将石墨烯薄膜磊晶成长（epitaxial growth）于各种各样基板（substrate），但初期品质并不优良[27]。于2004年，曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子工艺研究所（Institute for Microelectronics Technology）的两组物理团队共同合作，首先分离出单独石墨烯平面[11]。海姆和团队成员偶然地发现了一种简单易行的制备石墨烯的新方法。他们将石墨片放置在塑料胶带中， 折叠胶带粘住石墨薄片的两侧，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。当然，仅仅是制备是不够的。通常，石墨烯会隐藏于一大堆石墨残渣，很难得会如理想一般地紧贴在基板上；所以要找到实验数量的石墨烯，犹如东海捞鍼。甚至在范围小到1 cm2的区域内，使用那时代的尖端科技，都无法找到。海姆的秘诀是，如果将石墨烯放置在镀有在一定厚度的氧化硅的硅片上。利用光波的干涉效应，就可以有效地使用光学显微镜找到这些石墨烯。这是一个非常精准的实验；例如，假若氧化硅的厚度相差超过5%，不是正确数值300nm，而是315nm，就无法观测到单层石墨烯。

Nobelpriset i fysik 2010

制备方法[modifier | modifier le code]

重要性质[modifier | modifier le code]

参看[modifier | modifier le code]

参考文献[modifier | modifier le code]

  1. ↑ "graphene definition, meaning – what is graphene in the British English Dictionary & Thesaurus – Cambridge Dictionaries Online"
  2. ↑ "Definition of graphene noun from the Oxford Advanced Learner's Dictionary"
  3. ↑ Lee, C.; 等. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science. 2008, 321 (5887): 385. PMID 18635798. doi:10.1126/sci<ence.1157996
  4. ↑ "Graphene properties". www.graphene-battery.net. 29 May 2014. Retrieved 29 May 2014.
  5. ↑ Li, Zhilin; Chen, Lianlian; Meng, Sheng; Guo, Liwei; Huang, Jiao; Liu, Yu; Wang, Wenjun; Chen, Xiaolong (2015). "Field and temperature dependence of intrinsic diamagnetism in graphene: Theory and experiment". Phys. Rev. B. 91 (9): 094429. Bibcode:2015PhRvB..91i4429L. doi:10.1103/PhysRevB.91.094429.
  6. ↑ Carbon Wonderland. Scientific American. April 2008 [2009-05-05]. .. bits of graphene are undoubtedly present in every pencil mark
  7. ↑ Boehm, H. P.; Clauss, A.; Fischer, G. O.; Hofmann, U. (1962-07-01). "Das Adsorptionsverhalten sehr dünner Kohlenstoff-Folien". Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 316 (3–4): 119–127. ISSN 1521-3749. doi:10.1002/zaac.19623160303.
  8. ↑ Cooper, Daniel R.; D’Anjou, Benjamin; Ghattamaneni, Nageswara; Harack, Benjamin; Hilke, Michael; Horth, Alexandre; Majlis, Norberto; Massicotte, Mathieu; Vandsburger, Leron; Whiteway, Eric; Yu, Victor (3 November 2011). "Experimental Review of Graphene" (PDF). ISRN Condensed Matter Physics. International Scholarly Research Network. 2012: 1–56. doi:10.5402/2012/501686. Retrieved 30 August 2016
  9. ↑ Cooper, Daniel R.; D’Anjou, Benjamin; Ghattamaneni, Nageswara; Harack, Benjamin; Hilke, Michael; Horth, Alexandre; Majlis, Norberto; Massicotte, Mathieu; Vandsburger, Leron; Whiteway, Eric; Yu, Victor (3 November 2011). "Experimental Review of Graphene" (PDF). ISRN Condensed Matter Physics. International Scholarly Research Network. 2012: 1–56. doi:10.5402/2012/501686. Retrieved 30 August 2016.
  10. ↑ Kasuya, D.; Yudasaka, M.; Takahashi, K.; Kokai, F.; Iijima, S. (2002). "Selective Production of Single-Wall Carbon Nanohorn Aggregates and Their Formation Mechanism". J. Phys. Chem. B. 106 (19): 4947–4951. doi:10.1021/jp020387n.
  11. ↑ Bernatowicz; T. J.; et al. (1996). "Constraints on stellar grain formation from presolar graphite in the Murchison meteorite". Astrophysical Journal. 472 (2): 760–782. Bibcode:1996ApJ...472..760B. doi:10.1086/178105.
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  13. ↑ Zan, Recep; Ramasse, Quentin M.; Bangert, Ursel; Novoselov, Konstantin S. (2012). "Graphene re-knits its holes". Mesoscale and Nanoscale Physics. 12 (8): 3936–3940. arXiv:1207.1487v1 Freely accessible. Bibcode:2012NanoL..12.3936Z. doi:10.1021/nl300985q.
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  16. ↑ Geim & Novoselov 2007.
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  25. ↑ 在本质上，石墨烯是分离出来的单原子层平面石墨。按照这说法，自从20世纪初，X射线晶体学的创立以来，科学家就已经开始接触到石墨烯了。1918年，V. Kohlschütter和P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质（graphite oxide paper）
  26. ↑ 1948年，G. Ruess和F. Vogt发表了最早用透射电子显微镜拍摄的少层石墨烯（层数在3层至10层之间的石墨烯）图像[10]。
  27. ↑ 关于石墨烯的制造与发现，最初，科学家试着使用化学剥离法（chemical exfoliation method）来制造石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨层间化合物。在其三维结构中，每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过化学反应处理，除去嵌入的大原子或大分子后，会得到一堆石墨烯烂泥。由于难以分析与控制这堆烂泥的物理性质，科学家并没有继续这方面研究。还有一些科学家采用化学气相沉积法，将石墨烯薄膜磊晶成长（epitaxial growth）于各种各样基板（substrate），但初期品质并不优良
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