【權(quán)威研究報(bào)告】石墨烯，是否真的“未來已來”？
- 分類：行業(yè)新聞
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- 發(fā)布時(shí)間：2021-08-05 14:31
【權(quán)威研究報(bào)告】石墨烯，是否真的“未來已來”？
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自2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)過去了17個(gè)年頭。多年來石墨烯一直是科研界的熱點(diǎn)，在石墨烯領(lǐng)域發(fā)表的科研文章數(shù)量一直居高不下。但是直到現(xiàn)在，石墨烯的“神話”似乎依然只存在于科研院所的“象牙塔”中，沒有“走進(jìn)尋常百姓家”，缺少“殺手锏”級(jí)別的應(yīng)用來向世人證明它的實(shí)用價(jià)值。然而，科學(xué)家和企業(yè)家沒有放棄努力，一直在尋求石墨烯產(chǎn)業(yè)化落地以及大規(guī)模應(yīng)用的場景。本期FABIE與大家淺談石墨烯的故事。
一、關(guān)于石墨烯
從分子結(jié)構(gòu)上講，石墨烯是一種由單層碳原子緊密堆積從而形成的六邊形蜂窩晶格新材料，屬于是碳元素的同元素異形體。石墨烯的分子鍵只有0.142納米，晶面間距僅僅為0.335納米 (圖1)。石墨烯是人類世界發(fā)現(xiàn)的最薄的物質(zhì)，它的厚度僅僅只有一個(gè)原子那么厚，與面積相比厚度可以忽略不計(jì)，也就是說石墨烯是一張近似理想的2維膜，同時(shí)它還是世界上已知的最輕的材料和導(dǎo)電性能最佳的電導(dǎo)體。
從元素構(gòu)成上講，石墨烯與鉆石雖然外形迥異，但其內(nèi)在都是碳原子，只是因?yàn)樘荚拥呐帕蟹绞讲煌?，從而造就了石墨烯與鉆石的不同形態(tài) 此外，石墨烯還可以通過范德華力堆疊成3維的石墨，卷曲成0維的碳納米管，包裹成0維的富勒烯(巴基球)
石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等特性 ，其在較寬波長范圍內(nèi)吸收率約為 2.3%，施加磁場之后的石墨烯納米帶的光學(xué)響應(yīng)可調(diào)至太赫茲范圍;石墨烯材料的電子遷移率達(dá) 20000cm2⋅V−1⋅s−1，比銅、銀等傳統(tǒng)材料的導(dǎo)電性好，是目前是電阻率最小的材料;石墨烯是已知強(qiáng)度最高的材料之一，同時(shí)還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達(dá) 1.0TPa，固有的拉伸強(qiáng)度為130GPa。石墨烯在電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、催化、儲(chǔ)能和傳感器等諸多領(lǐng)域有著廣闊而巨大的應(yīng)用潛能,是主導(dǎo)未來高科技競爭的超級(jí)材料，被稱為“黑金”、“新材料之王”。
根據(jù)石墨烯的宏觀形態(tài)，可以大致分為粉體和薄膜兩類。石墨烯粉體是指納米及微米尺寸的石墨烯片(graphene nanoflake)無序聚集體;石墨烯薄膜是在特定基底表面生長的，或生長形成后被轉(zhuǎn)移到其他基底上的連續(xù)石墨烯材料。相比于石墨烯粉體，薄膜的優(yōu)勢是連續(xù)性和厚度均一性，也更能表征出石墨烯優(yōu)越的物理化學(xué)性能。大批量、低成本的生產(chǎn)高質(zhì)量的石墨烯材料是實(shí)現(xiàn)石墨烯應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的前提條件。目前，石墨烯的制備可以大致被歸納為兩類技術(shù)路徑 (圖5)， 一類是自上而下(Top-down)的方法，即從石墨本身獲得石墨烯， 一類是自下而上(Bottom-up)的方法，從含碳化合物制備石墨烯。其中，自上而下發(fā)包括液相剝離法、氧化還原法、機(jī)械剝離法等;自下而上法包括化學(xué)氣相沉積法(CVD)、SiC 晶體外延生長法等。
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