石墨烯的研究现状

　　石墨烯（Graphene）石墨材料剥离、由碳原组层原厚度二维晶体　　2004英曼彻斯特物理家安德烈·盖姆康斯坦丁·诺沃肖洛夫功石墨离石墨烯证实单独存两共同获2011诺贝尔物理奖　　科家发明石墨烯快速制备　　浙江高系高超教授课题组找条适用于规模制备绿色路线使单层石墨烯形效率提高十倍感觉这样的提问是没有意义的还是自己找下资料吧

(1) 一个月后，烧杯内剩余液体的质量为m 3 －m 1 =31.4g－20.2g=11.2g；液体的体积为14ml=14cm 3 ；故剩余的液体密度ρ= =0.8g/cm 3 。这种物质是酒精。(2)①有较好的透水性；②有良好的密封性。

(1)求烧杯内液体的密度，可通过其质量和体和获得，质量可通过图3与1间的差值获得，体积可通过读取图3中的烧杯的示数获得；（2）已知密封的是水和酒精的混合物，一个月后，液体的体积明显减小，计算结果表明，剩余液体都是酒精，据此可以得到：①氧化石墨烯薄膜具有较好的透水性，内部的水全部蒸发②氧化石墨烯薄膜具有较好的密封性，水虽然蒸发了，但酒精的质量没有变化。

曹原发现石墨烯超导深刻意义为：只需简单操作，无需引入其他物质，就能使石墨烯出现超导现象。石墨烯源自于石墨，石墨是由多层碳原子层组成，每层中的碳原子以蜂窝状的多个六边形排列在一起，每层之间的距离大约0.335纳米，如果把石墨的多层结构剥离成一层一层的结构，得到的材料就是石墨烯，由于石墨烯的特殊结构，它具有优异的力学、电学、磁学和热学性能，所以石墨烯改性一直都是研究热点。曹原的研究是把两层石墨烯堆叠在一起，然后通过旋转两层产生不同的角度来研究其导电能力。当他把角度旋转到1.1度，并且把温度降低至1.7开尔文，这种双层石墨烯材料表现出了超导现象，成为零电阻、完全抗磁性的超导体，曹原制备出的石墨烯超导体属于低温超导体，其超导临界温度远低于冰点0 ℃，所以这种材料并非室温超导体。之前虽然已有日本科学家将钙原子和石墨烯结合在超低温下实现过超导效应，但是相比曹原这一次只是在石墨烯材料内部就得出了这样的结论，其重要程度完全无法相比。因为曹原的结果中，将两层石墨烯超导体经过电场和角度微调，却变成了绝缘体！这一不可思议的变化意味着曹原的成果极有可能提供一个全新的思路和平台去解决超导问题的起源！

（1）原材料：实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。（2）应用领域：在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。另一方面，新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。1、电子运输：在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。2、导电性：石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。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，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。3、导热性：石墨烯具有极高导热系数， 近年来被提倡用于散热等方面， 在散热片中嵌入石墨烯或数层石墨烯可使得其局部热点温度大幅下降。美国加州大学一项研究显示 ， 石墨烯的导热性能优于碳纳米管。中国科学院山西煤炭化学研究所高导热石墨烯/炭纤维柔性复合薄膜，其厚度在10~200 μm之间可控，室温面向热导率高达977 W/m•K，拉伸强度超过15 MPa。普通碳纳米管的导热系数可达3000W/mK以上， 各种金属中导热系数相对较高的有银、铜、金、铝， 而单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK， 甚至有研究表明其导热系数高达6600W/mK。优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超大规模纳米集成电路的散热材料 。与纯石墨烯相比， 还原剥离氧化石墨得到热导率相对较低(0.14 ～ 2.87 W/mK)的石墨烯(RGOx)。其导热系数与氧化石墨被氧化程度密切相关， 原因是RGOx薄片即使经过热还原处理后仍然具有氧化性。导热率可能与其中残余的化学官能团、破坏的碳六元环等缺陷有关化学结构被氧化导致晶格缺陷的产生， 阻止了热传导作用。4、机械特性石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中，他们选取了一些直径在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。5、化学性质：我们至今关于石墨烯化学知道的是：类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍，缺乏适用于传统化学方法的样品。

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石墨烯现在处于可研阶段，离实际生活应用还有一段距离，但未来前景广阔，是半导体硅的有力接班人之一未来的前景好~~

2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线。2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定;随着所连接的碳原子数量不断增多，这个二维的碳分子平面不断扩大，分子也不断变大。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一种材料，并且具有极高的比表面积、超强的导电性和强度等优点。堪称超级的物理特性石墨烯是目前已知的最薄的一种材料，单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度，这种厚度的石墨烯拥有了许多石墨所不具备的特性。导电性极强：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1/300，正因如此，石墨烯拥有超强的导电性。超高强度：石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1-2级，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲。（注释：物理常识，硬度越高，材料越脆。例如玻璃，刚玉和钻石，非常容易打碎。原文此处有误，请留意。）超大比表面积：由于石墨烯的厚度只有一个碳原子厚，即0.335纳米，所以石墨烯拥有超大的比表面积，理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630m2/g，而普通的活性炭的比表面积为1500m2/g，超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。据《中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析前瞻》 指出行业仍在量产摸索阶段，目前主要的制备方法有微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法和气相沉积法;其中氧化石墨还原法优于制备成本相对较低，是目前主要制备方法。石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等，都需要良好的透明电导电极材料。特别是，石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良;氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。通过化学气相沉积法，可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的阳极，并得到高达1.71%能量转换效率;与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转换效率的55.2%。作为新兴产业，前瞻产业研究院石墨烯行业研究员李生发指出。石墨烯未来前途一片光明。石墨烯特殊的结构形态，使其具备目前世界上最硬、最薄的特征，同时也具有很强的韧性、导电性和导热性。这些及其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间，未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。

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　　目前来看，还有一些技术难题等待解决，参考前瞻产业研究院《中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告》显示，石墨烯在能源领域的应用技术看好超级电容、薄膜太阳能电池及燃料电池。目前石墨烯应用于锂电池仅导电剂略有功效，但业者都知道最需要改善的是正极材料，正极材料是含锂材料，镍酸锂理论容量 274 mAh/g，反观负极材料是储锂材料，金属化合物可以达到 4200 mAh/g。但两者目前尚未有突破性发展。　　就超级电容目前是作为复合电源启动用途，乃利用其快放快充的特性。我们希望能先做到超级电容电容量达 2500 mAh，初期以行动电源的型态呈现，若能提升到 3200 mAh，势必可以取代锂电池了。当然，石墨烯与金属氧化物复材还需要一段测试期间。