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解析“万能”石墨烯:为何备受推崇?

导读: 手机充电只需几秒钟?史上最薄电灯泡?光驱动飞行器?关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中,似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。石墨烯究竟是什么,到底有什么特性让它备受推崇?

  手机充电只需几秒钟?史上最薄电灯泡?光驱动飞行器?关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中,似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。石墨烯究竟是什么,到底有什么特性让它备受推崇?

解析“万能”石墨烯:为何备受推崇?

图1:石墨烯原子结构示意图

  1. 传说中的石墨烯到底是什么?

  石墨烯与石墨之间有特殊的亲缘关系。石墨这种材料大家可能都比较熟悉,比如说铅笔芯、干电池内部的电极等,其主要成分就是石墨。从微观结构来看,石墨是一种层状材料,由一层一层的碳原子堆叠而成。对于每一层而言,其中的碳原子之间以牢固的共价键相结合,非常稳定。而层与层之间则是以一种比较微弱的作用力相互结合的,从而使得层与层之间比较容易脱离开。因此,厚的石墨是可以很容易地解离成薄的石墨片的。那么,石墨的这种结构就可以形象地类比成一本书,书中的每页纸就类比成一层碳原子。而我们要讲的石墨烯就是石墨这本“书”之中的一页“纸”。

解析“万能”石墨烯:为何备受推崇?

  那么这页“纸”有何奇特之处,使之得到诺贝尔奖的青睐呢?最关键就在于石墨烯这页“纸”特殊的结构。首先,石墨烯只有一个原子层的厚度,是人类制备出的第一种真正意义上的二维材料,颠覆了传统理论中“自然界中根本不可能找到稳定存在的二维晶体材料”这一结论。第二,石墨烯中的碳原子是以六角蜂窝的形状按规则排列的(如图一),这种排列方式导致石墨烯拥有非常特殊的电子能带结构,从而使其蕴含了丰富而新奇的物理现象与性质。在凝聚态领域中,材料的电子特性大都用薛定谔方程就可以充分描述。但是石墨烯是个例外,石墨烯中的电子输运遵循的是狄拉克方程,其中的载流子是无质量,是类似于相对论性质的粒子,其有效速度接近于光速。这种材料的发现无疑为凝聚态物理中开辟了一块全新的领域。

  2. “万能材料”石墨烯,万能在哪?

  从材料科学的层面讲,石墨烯具有许多特殊而优异的性质,从而具有广泛的应用前景。在此试举几例:

  (1)石墨烯具有超高的载流子迁移率和热导率,迁移率是传统硅基材料的几十甚至几百倍。载流子迁移率对于微电子器件来说是一项极其关键的参数,若是迁移率过低,将会导致产热严重、响应频率低下等后果。因此,由于迁移率高、导热好,石墨烯被认为是一种理想的电子器件材料。

  (2)在航天科学领域中,石墨烯可以被当做保护层覆盖在一些元件的表面,用来降低因宇宙射线激发的二次电子。

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