石墨烯的性質(zhì)及其導電性能的應用,無機化學論文

石墨烯的性質(zhì)及其導電性能的應用,無機化學論文2004年，英國曼徹斯特大學的物理學家AndrewGeim和KonstantinNovoselov[1]成功的在實驗室中從普通石墨中分離出了石墨烯，并因而獲得了2018年的諾貝爾物理學獎，隨之在世界范圍引起了研究石墨烯的熱潮。石墨烯是一種碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只要一個碳原子厚度的單層片狀構(gòu)造的新材料。石墨烯獨特的構(gòu)造賦予了石墨烯優(yōu)良的性能。石墨烯是世界上為數(shù)不多又同時具備透明、導電和柔性三大屬性的材料。曼徹斯特大學講師亞拉文博士〔AravindVijayaraghavan〕講道這三種屬性很少能在同一個材料上出現(xiàn)。另外石墨烯比外表積大、載流子遷移率高等優(yōu)異的性能使石墨烯有更廣的應用前景，同時也備受國內(nèi)外研究人員的青睞。石墨烯能夠變革電子行業(yè)，催生靈敏多變的設備、超動力的量子計算機、電子服裝及可與身體細胞溝通的計算機。據(jù)(紐約時報〕報道，石墨烯是一種神奇的材料，它具備顛覆當下所有電子設備的潛質(zhì)，是材料的將來和電子行業(yè)的救命稻草。本文著重介紹石墨烯的性質(zhì)和石墨烯導電性能及其復合材料在不同領(lǐng)域中的應用以及發(fā)展前景。1石墨烯的性質(zhì)力學性質(zhì)石墨烯是人類已經(jīng)知道強度最高的的材料，比世界上強度最高的鋼鐵高100多倍。哥倫比亞大學的物理學家曾經(jīng)做過這樣的一個實驗：將直徑在10～20m間的石墨烯放在外表帶有小孔〔直徑在1～1.5m〕的晶體薄板上，用金剛石探針對小孔上的石墨烯施加壓力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：石墨烯微粒在開場斷裂前，每100nm距離上可承受0.9N的力。這一結(jié)果相當于要施加55N的壓力才能使1m的石墨烯斷裂。導電性質(zhì)石墨烯具有超高的電子遷移率，電子的運動速度到達了光速的三百分之一。另外，石墨烯也是世界上迄今為止電阻率最小的材料，其電阻約為10cm[2]。光學性質(zhì)石墨烯只要單原子厚度，幾乎是完全透明的，只吸收大約2.3%的可見光，光透率高達97.7%。石墨烯層的光吸收與層數(shù)成比例，數(shù)層石墨烯樣品中的每一層都能夠看作二維電子氣，受鄰近層的擾動極小，其在光學上等效為互不作用的單層石墨烯的疊加。單層石墨烯在300～2500nm間的吸收譜平坦，在紫外區(qū)有吸收峰，這是由于石墨烯態(tài)密度中的激子移動呈現(xiàn)范霍夫奇異性。在數(shù)層石墨烯中，低能區(qū)有與帶間躍遷相關(guān)的其他吸收特性。熱學性質(zhì)石墨烯也是一種熱穩(wěn)定材料。石墨烯的熱導率高達5300瓦/〔米開〕，是銅的13倍。研究發(fā)現(xiàn)：單層石墨烯的導熱率與片層寬度、缺陷密度和邊緣粗糙度密切相關(guān)；石墨烯片層沿平面方向?qū)峋哂懈飨虍愋缘奶攸c；在室溫以上，石墨烯的熱導率隨著溫度的增加而減小。化學性質(zhì)當前已經(jīng)知道的化學特性是石墨烯能夠吸附和脫附各種原子和分子。從外表化學角度來看，石墨烯的性質(zhì)類似石墨，因而能夠根據(jù)石墨來揣測石墨烯的化學性質(zhì)。石墨烯的化學性質(zhì)研究將在今后數(shù)年內(nèi)成為一個研究熱門。2石墨烯導電性能的應用石墨烯優(yōu)良的導電性能使其在微電子領(lǐng)域有廣闊的應用前景，它被期望成為硅的替代品，適用于柔性電子產(chǎn)品中，例如柔性顯示器。石墨烯還是一種透明、良好的導體，可以用于制造透明觸摸屏幕、光板、太陽能等。另外，由于石墨烯的高傳導性、高比外表積，可作為電極材料助劑。2.1石墨烯在電容器方面的應用電極材料是超級電容器的關(guān)鍵材料[3]。由于石墨烯具有高的電子遷移率和高比外表積，因而石墨烯是理想的電極材料。近年來，有關(guān)石墨烯作為電極材料的超級電容器也屢見報道[4]，然而石墨烯極超級電容器的電容性并不令人滿意，存在在高相對速度下傳遞高能量對電容器本身有較大的損耗，循環(huán)使用次數(shù)少等缺點。為了提高超級電容器的電容性，研究人員對此作了大量的相關(guān)研究。2020年，美國加州大學洛杉磯分校的研究人員[5]發(fā)明了一種以石墨烯為基礎的微型超級電容器，它是一種新型的儲能裝置，具有充電時間短、使用壽命長、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點。這種電容器不僅外形小巧，而且充電、放電速度比標準電池快100到1000倍，事實證明，它能夠在數(shù)秒內(nèi)為手機甚至汽車充滿電。這種超級電容器有望替代傳統(tǒng)蓄電池推動電動汽車的發(fā)展以及解決風能、太陽能等間歇性能源的儲存問題。2.2石墨烯透明導電薄膜的應用石墨烯透明導電薄膜具有較高的透光率和優(yōu)良的導電性能，因此使其有望引發(fā)觸摸屏和顯示器產(chǎn)品的革命，制造出可折疊、可伸縮的顯示器件。Secor等[6]采用噴墨打印的方式方法制備出石墨烯透明導電薄膜。研究人員首先將已制得的石墨烯/乙基纖維素粉末以質(zhì)量比為2.4wt%分散在體積比為85:15的環(huán)己酮和松油醇的混合溶劑中，構(gòu)成穩(wěn)定的油墨。然后利用沉積噴墨打印機制備成薄膜。這種油墨的外表張力相對較低所得的導電薄膜能夠用來制備具有適當濕度的低外表能物質(zhì)，用于柔性電子產(chǎn)品中。近年來，石墨烯在電子產(chǎn)品中的應用研究獲得了宏大的成就。韓國GrapheneSquare公司已開發(fā)出了大面積石墨烯薄膜的制備裝置。2020年1月，常州二維碳素科技有限公司成功研制出全球首款手機石墨烯觸摸屏，這項研究成果突破了石墨烯產(chǎn)品從實驗室走向市場的瓶頸，在石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化上具有重要的意義。2020年4月4日，三星高級技術(shù)研究所和韓國成均館大學共同公布，他們在全球范圍內(nèi)初次合成了一種可保證導電性的石墨烯晶體，該成果可在保持材料電力和機械屬性的同時，可將大面積石墨烯加工成半導體的單一晶體。不僅三星公司而且IBM、諾基亞公司的研究人員也都在不斷加強對石墨烯材料的研究，也許在不久的將來我們便能看到更輕、更便捷、更便宜的電子產(chǎn)品。2.3石墨烯基發(fā)光二極管發(fā)光二極管是半導體材料中重要的器件之一，它廣泛應用于照明、通訊等領(lǐng)域。韓國首爾國立大學的研究人員[7]，在多層石墨烯上以嚴密排列的ZnO納米棒為過渡層生長高質(zhì)量的石墨烯外延薄膜，制備了發(fā)光二極管，并進一步實現(xiàn)了將這些功能器件向玻璃、金屬、塑料等不同襯底的轉(zhuǎn)移。這種器件既展示了石墨烯半導體的發(fā)光特性，同時利用了石墨烯的電學與機械特性，為后續(xù)電學與光電學器件的集成設計提供了靈敏的思路[8]。2.4石墨烯電池應用新能源電池是石墨烯最早商用的重要應用產(chǎn)品之一。美國麻省理工學院的一份報告指出，石墨烯被以為是第三代太陽能電池的最佳備選材料之一，將為數(shù)碼相機、手機等小型隨身電子設備提供連續(xù)使用的能量，將來具備太陽能電源的設備將更為小巧美觀。2020年，意大利ProTrade公司的技術(shù)人員費瑞博士介紹，他們研發(fā)出的用于電動汽車的石墨烯電池，一次充電能夠跑600km，并且這種電池的充電時間極短，只需要十幾分鐘。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應用奠定了基礎。太陽能資源是近年來備受重視的新能源，很多領(lǐng)域都在逐步推廣。日前記者從青島科技大學得悉[9]，該校獲批一項國際科技合作項目，與美國密蘇里州立大學和美國了勞倫斯伯克利國家實驗室合作，聯(lián)合開發(fā)石墨烯基太陽能電池，該項目國家提供科研經(jīng)費480萬元，負責人為青科大泰山學者海外特聘專家董立峰教授。石墨烯太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化率是傳統(tǒng)多晶硅的2倍，高達60%。傳統(tǒng)的太陽能路燈，燈泡上都有太陽能電池板。用上新材料，太陽能電池板能夠被彎曲，可以以通過工藝改進直接做成燈泡的護罩，還能夠設計成多種樣式，增加了美觀性。用這種新材料做成的太陽能電池板，能夠鋪在蔬菜大棚上，堆了一層太陽能被子，溫室大棚又多了一項新的功能。石墨烯太陽能電池的應用將給我們帶來綠色、環(huán)保、節(jié)能的新生活。2.5石墨烯銀納米薄膜石墨烯薄膜具有高的導電性和柔韌性,其導電率為1079S/cm，然而將金屬銀納米附著于石墨烯上構(gòu)成銀納米線/石墨烯導電薄膜，其電導率將提高到3189S/cm。Chen等[10]通過采用溶劑熱法合成銀納米線，其直徑為150～200nm，長度在十到幾百微米之間。通過真空過濾的方式方法，使銀納米線/石墨烯懸浮在濾膜上，較小的石墨烯和銀納米線通過靜電互相作用被吸附在纖維素纖維上，凝聚在濾膜的外表，隨著過濾時間的增加纖維素外表和空隙過濾膜完全被石墨烯和銀納米線覆蓋構(gòu)成銀納米線/石墨烯/濾膜，三明治構(gòu)造的薄膜。也即，銀納米線/石墨烯導電薄膜。復合膜由于其優(yōu)良的機械穩(wěn)定性和靈敏性，能夠塑造成所需的構(gòu)造，并可大幅度的彎曲，可用于導電摻雜氟的氧化銦錫和絕緣對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。實驗表示清楚摻雜銀納米線/石墨烯的PET不僅具有優(yōu)良的導電性而且還具有良好的柔韌性，它能夠折疊彎曲100圈而不發(fā)生任何毀壞。2.6高導電性石墨烯晶體管石墨烯晶體管的導電性常被石墨烯極接觸點的電阻所限制，怎樣提高石墨烯晶體管的導電性，是石墨烯復合材料改性方面又一重要的挑戰(zhàn)。Leong等[11]通過氫腐蝕化使源極/漏極金屬接觸點的石墨烯部分被氫化腐蝕構(gòu)成多個納米尺度的小孔，而石墨烯通道則保持完好無缺，進而實現(xiàn)了石墨烯超低電阻金屬接觸點。浸透型石墨烯的源極/漏極和純的鋸齒形終端構(gòu)成強的化學鍵而不需要進一步的沉積鎳金屬化退火。這樣的制備方式方法優(yōu)于電極金屬化并且使接觸點的在單層場效應晶體管中的電阻只要100m，而在雙層石墨烯場效應晶體管中為11m。除此之外，接觸點的電阻減少了96%，源極/漏極石墨烯晶體管在電阻遷移率方面提高了1.5倍。更重要的是，金屬催化的蝕刻接觸處理是互補金屬氧化物半導體〔CMOS〕兼容制造工藝，并擁有宏大潛力，以知足所需的石墨烯在將來集成電路的優(yōu)良的集成接觸性能。3結(jié)束語石墨烯的出如今科學界激起了宏大的波濤，并迅速成長為材料界的新星。由于石墨烯良好的導電性、高熱化學穩(wěn)定性和理想的靈敏性，石墨烯及其復合材料在高性能靈敏的能量轉(zhuǎn)換、儲存、柔性電子產(chǎn)品以及其它設備上得到了更廣泛的應用。我們國家在石墨烯的應用研究上也獲得了矚目的成就。我們不僅攻克了石墨烯制備成本高的難題，而且利用化學氣相沉積法成功制造出了國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。21世紀是碳的時代，石墨烯的推廣將引領(lǐng)第三次工業(yè)革命的發(fā)展，隨著石墨烯產(chǎn)品在產(chǎn)業(yè)化應用中的推廣，我們的生活將發(fā)生根本性的改變。如今可以以等待一下這一21世紀的神奇材料將會帶來如何的驚喜。以下為參考文獻：［1］NovoselovKS,GeimAK,MorozovSV,etal.Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms[J].Science,2004,306(5296):666-669.［2］張文毓，全識俊.石墨烯應用研究進展[J]，傳感器世界2018，(5)：0611［3］余泉茂，王仁清.石墨烯制備及其在超級電容器中的應用研究[J].材料導報,2020,26(15):7-13.［4］ZhangLL,ZhouR,ZhaoXS.Graphene-basedmaterialsassupercapacitorelectrodes[J].JournalofMaterialsChemistry,2018,20(29):5983-5992.［5］付甜甜.美研制出微型石墨烯超級電容器[J].電源技術(shù),2020,37(4):530-531.［6］SecorEB,PrabhumirashiPL,PuntambekarK,etal.Inkjetprintingofhighconductivity,flexiblegraphenepatterns[J].TheJournalofPhysicalChemistryLetters,2020,4(8):1347-13