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石墨烯综述:从来源到超级电池 颠覆性的存在

导读: 石墨烯究竟有何神奇之处,以至于各界都在追捧?下面我们一起来了解石墨烯到底是什么?

  OFweek锂电网讯:三月份,有一条消息震惊了许多人——“2015年3月2日,全球首批3万部量产石墨烯手机在重庆发布”。“据消息称,这款石墨烯手机,核心技术由中国科学院重庆绿色智能技术研究院,和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发,采用最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜等新材料,在屏幕显示、电池续航能力以及防止手机发烫方面有一定优势。”

  在去年,华为公司创始人任正非也在一次采访中大赞石墨烯的前景。

  “我认为这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代,但是颠覆需要有继承性发展,在硅时代的成功佼佼者最有希望成为石墨烯时代中的佼佼者。边沿机会还是硅时代的领先公司。不可能完全凭空出来一个小公司,然后就领导了时代脉搏,而且石墨烯这个新技术在世界上的发展也不是小公司能做到的。”

  那么,石墨烯究竟有何神奇之处,以至于各界都在追捧?下面我们一起来了解石墨烯到底是什么?

石墨烯综述:从来源到超级电池 颠覆性的存在

  石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格结构

  石墨烯是什么?

  石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。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。

  虽然名字里带有石墨二字,但它既不依赖石墨储量也完全不是石墨的特性:石墨烯导电性强、可弯折、机械强度好,看起来颇有未来神奇材料的风范。如果再把它的潜在用途开个清单——保护涂层,透明可弯折电子元件,超大容量电容器,等等——那简直是改变世界的发明。

  石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;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,电子跑的速度极快,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。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。

  更多的描述

  石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层相同,是碳原子以sp2杂化轨道呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子网格。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨)+-ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。

  石墨烯的结构非常稳定,碳碳键(carbon-carbon bond)仅为1.42?。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。

  石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元:石墨,木炭,碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的,它只包括六边形(等角六边形);如果有五边形和七边形存在,则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。

  石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管;另外石墨烯还被做成弹道晶体管(ballistic transistor)并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月,佐治亚理工学院研究员宣布,他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管,并观测到了量子干涉效应,并基于此结果,研究出以石墨烯为基材的电路。

  石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种,质料非常牢固坚硬,在室温状况,传递电子的速度比已知导体都快。

  它诞生至今都十年了,但透明手机在哪呢?

  其实就在2012年,因石墨烯而获得诺贝尔奖的康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)和他的同事曾经在《自然》上发表文章讨论石墨烯的未来,两年来的发展也基本证明了他们的预测。他认为作为一种材料,石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”,虽然将来它也许能发挥重大作用,但是在克服几个重大困难之前,这一场景还不会到来。更重要的是,考虑到产业更新的巨大成本,石墨烯的好处可能不足以让它简单地取代现有的设备——它的真正前景,或许在于为它的独到特性量身定做的全新应用场合。

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责任编辑:Angela
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