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　　石墨烯 石墨烯的發(fā)明　　2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim)等制備出了石墨烯。海姆

　　和他的同事偶然中發(fā)明了一種簡略易行的新道路。他們強行將石墨分別成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，然后用一種特別的塑料膠帶粘住薄片的兩側(cè)，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷反復這一進程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構(gòu)成——他們制得了石墨烯。 石墨烯構(gòu)造　　石墨烯的問世引起了全世界的研討高潮。它不僅是已知資料中Zui薄的一種，還非常堅固堅硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯在原子標準上構(gòu)造非常特別，必需用相對論量子物理學(relativistic quantum physics)才干刻畫。

　　　　石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)固，迄今為止，研討者仍未發(fā)明石墨烯中有碳原子缺失的情形。石墨烯中各碳原子之間的銜接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就曲折變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就堅持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。

　　　　這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)良的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺點或引入外來原子而產(chǎn)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使四周碳原子產(chǎn)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。 石墨烯特性　　石墨烯Zui大的特征是其中電子的活動速度到達了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的活動速度。這使得石墨烯中的電子，或更正確地，應稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對論性的中微子非常類似。

　　　　為了進一步闡明石墨烯中的載荷子的特別性質(zhì)，我們先對相對論量子力學或稱量子電動力學做一些懂得。

　　　　經(jīng)典物理學中，一個能量較低的電子碰到勢壘的時候，假如能量不足以讓它爬升到勢壘的頂端，那它就只能待在這一側(cè)；在量子力學中，電子在某種水平上是可以看作是散布在空間各處的波。當它碰到勢壘的時候，有可能以某種方法穿透過往，這種可能性是零到一之間的一個數(shù)；而當石墨烯中電子波以極快的速度活動到勢壘前時，就須要用量子電動力學來說明。量子電動力學作出了一個更加令人吃驚的預言：電子波能百分百地呈現(xiàn)在勢壘的另一側(cè)。

　　　　以下試驗證實了量子電動力學的預言：事先在一片石墨烯晶體上人為施加一個電壓（相當于一個勢壘），然后測定石墨烯的電導率。一般以為，增添了額外的勢壘，電阻也會隨之增長，但事實并非如此，由于所有的粒子都產(chǎn)生了量子隧道效應，通過率達100%。這也說明了石墨烯的超強導電性：相對論性的載荷子可以在其中完整自由地穿行。

　　　　另外，研究也發(fā)現(xiàn)，盡管只有單層原子厚度，但石墨烯有相當?shù)牟煌该鞫龋嚎梢越邮沾蠹s2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對論性的體現(xiàn)。美國哥倫比亞大學兩名華裔科學家Zui近發(fā)現(xiàn)，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，竟然比鉆石還堅硬，強度比世界上Zui好的鋼鐵還要高上１００倍。這種物質(zhì)為“太空電梯”超韌纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門，讓科學家夢寐以求的２．３萬英里長（約合３７０００千米）太空電梯可能成為現(xiàn)實。 中國科學家發(fā)現(xiàn)Zui硬物質(zhì)　　誰也不會想到，鉛筆中竟然包括著地球上強度Zui高的物質(zhì)！

　　　　法國天子拿破侖曾經(jīng)說過：“筆比劍更有威力”，然而他在200年前說這話的時候盡對不會想到，人類應用的普通鉛筆中竟然包括著地球上強度Zui高的物質(zhì)！美國哥倫比亞大學兩名華裔科學家Zui近研究發(fā)現(xiàn)，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，比鉆石還堅硬，強度比世界上Zui好的鋼鐵還要高上100倍。 發(fā)現(xiàn)者是兩華裔科學家　　人們熟習的鉛筆是由石墨制成的，而石墨則是由無數(shù)只有碳原子厚度的“石墨烯”薄片壓疊形成，石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結(jié)構(gòu)。自從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，有關的科學研究就從未間斷過。然而直到Zui近，美國科學家才首次證實了人們久長以來的猜忌，石墨烯竟是目前世界上已知的強度Zui高的材料！

　　　　據(jù)悉，這一驚人的科學發(fā)現(xiàn)是由美國哥倫比亞大學的兩名華裔科學家李成古和魏小?。ㄒ糇g）一起研究得出的，而李成古研究“石墨烯”強度的重要工具之一，竟是普通的透明膠帶！李成古向記者解釋他們的“低科技”研究方法說：“為了懂得石墨烯的強度，我們首先必需從石墨上剝離出一些石墨烯薄片，于是我們想到了透明膠帶?！笨茖W家先將膠帶粘在一塊石墨上，然后再撕下來，接著科學家又將膠帶粘到了一塊面積只有1平方英寸的硅片上，然后再將膠帶從硅片上撕下來，這時數(shù)千小片石墨都粘到了硅片上。 比鉆石還要堅硬　　硅片上有數(shù)千個肉眼看不見的小孔?？茖W家開端采用高科技手腕，將硅片放置在電子顯微鏡下進行察看，科學家破費數(shù)天時光，盼望能在硅片小孔上發(fā)現(xiàn)適合的單原子厚的石墨烯薄片。

　　　　一旦科學家發(fā)現(xiàn)了一些只有100分之一頭發(fā)絲寬度的石墨烯薄片后，他們就開端應用原子尺寸的金屬和鉆石探針對它們進行穿刺，從而測試它們的強度。讓科學家震驚的是，石墨烯比鉆石還強硬，它的強度比世界上Zui好的鋼鐵還高100倍！

　　　　美國機械工程師杰弗雷·基薩教授用一種形象的方法解釋了石墨烯的強度：假如將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片籠罩在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆揭穿它，那么須要一頭大象站在鉛筆上，才干揭穿只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層。 可做“太空電梯”纜線　　據(jù)科學家稱，地球上很輕易找到石墨原料，而石墨烯堪稱是人類已知的強度Zui高的物質(zhì)，它將擁有眾多令人向往的發(fā)展遠景。它不僅可以開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、可以制造出超堅韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯”纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門。美國研究職員稱，“太空電梯”的Zui大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、長達23000英里并且足夠強韌的纜線，美國科學家證實，地球上強度Zui高的物質(zhì)“石墨烯”完全合適用來制造太空電梯纜線！

　　　　人類通過“太空電梯”進進太空，所花的本錢將比通過分箭升進太空廉價很多。為了鼓勵科學家發(fā)現(xiàn)出制作太空電梯纜線的堅韌材料，美國NASA此前還發(fā)出了400萬美元的懸賞。 取代硅生產(chǎn)Chao級盤算機　　不過據(jù)科學家稱，盡管石墨在大自然中非常廣泛，并且石墨烯是人類已知強度Zui高的物質(zhì)，但科學家可能仍然須要破費數(shù)年甚至幾十年時光，才干找到一種將石墨改變成大片高質(zhì)量石墨烯“薄膜”的方式，從而可以用它們來為人類制造各種有用的物資。

　　　　據(jù)科學家稱，石墨烯除了異常堅固外，還具有一系列唯一無二的特征，石墨烯還是目前已知導電性能Zui杰出的資料，這使它在微電子范疇也具有宏大的利用潛力。研討職員甚至將石墨烯看作是硅的替換品，能用來生產(chǎn)未來的Chao級盤算機。

　　　　這種物資不僅可以用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機資料、制作出超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長太空電梯成為現(xiàn)實。 石墨烯的制備方式　　

　　石墨烯的合成方法重要有兩種：機械方法和化學方法。機械方法包含微機械分別法、取向附生法和加熱SiC的方法 ； 化學方法是化學疏散法。 微機械分離法　　Zui普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。2004年Novoselovt等用這種方法制備出了單層石墨烯，并可以在外界環(huán)境下穩(wěn)固存在。典范制備方法是用另外一種材料膨化或者引進缺點的熱解石墨進行摩擦，體相石墨的表面會產(chǎn)生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。

　　　　但毛病是此法是應用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易把持，無法可靠地制作長度足供給用的石墨薄片樣本。 取向附生法—晶膜生長　　取向附生法是應用生長基質(zhì)原子構(gòu)造“種”出石墨烯，首先讓碳原子在 1 1 5 0 ℃下滲透釕，然后冷卻，冷卻到850℃后,之前接收的大批碳原子就會浮到釕表面，鏡片外形的單層的碳原子“ 孤島” 布滿了全部基質(zhì)表面，終極它們可長成完全的一層石 墨烯。第一層籠罩 8 0 ％后，第二層開端生長。底層的石墨烯會與釕發(fā)生強烈的交互作用，而第二層后就幾乎與釕完整分別，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表示令人滿足。

　　　　但采取這種辦法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會影 響碳層的特征。另外Peter W.Sutter 等應用的基質(zhì)是稀有金屬釕。 加熱 SiC法　　該法是通過加熱單晶6H-SiC脫除Si，在單晶(0001) 面上分解出石墨烯片層。具體進程是：將經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處置得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加熱，除往氧化物。用俄歇電子能譜斷定表面的氧化物完整被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至1250~1450℃后恒溫1min~20min，從而形成極薄的石墨層，經(jīng)過幾年的摸索，Berger等人已經(jīng)能可控地制備出單層或是多層石墨烯。

　　　　其厚度由加熱溫度決議，制備大面積具有單一厚度的石墨烯比擬艱苦。

　　　　一條以商品化碳化硅顆粒為原料，通過高溫裂解范圍制備高品德無支撐（Free standing）石墨烯材料的新道路。通過對原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以及氛圍的把持，可以實現(xiàn)對石墨烯結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)控。這是一種非常新鮮、對實現(xiàn)石墨烯的實際利用非常主要的制備方式。 化學分散法　　化學疏散法是將氧化石墨與水以1 mg/mL的 比例混雜， 用超聲波振蕩至溶液清楚無顆粒狀物質(zhì)，參加適量肼在1 0 0℃回流2 4 h ，發(fā)生玄色顆粒狀沉淀，過濾、烘干即得石墨烯。Sasha Stankovich 等應用化學疏散法制得厚度為1 nm左右的石墨烯。 石墨烯的表征辦法　　石墨烯的表征辦法： 原子力顯微鏡、 光學顯微鏡、 Raman光譜、XRD 原子力顯微鏡（AFM）　　由于單層石墨烯厚度只有0.335nm，在掃描電鏡（SEM）中很難察看到，原子力顯微鏡是斷定石墨烯結(jié)構(gòu)Zui直接的措施。 光學顯微鏡　　單層石墨烯附著在表面籠罩著必定厚度（300nm）的SiO2層Si晶片上，可以在光學顯微鏡下觀測到。這是由于單層石墨層和襯底對光線發(fā)生的干預有必定得對照度。受空氣-石墨層-SiO2層間的界面影響。 Raman光譜　　Roman光譜的外形、寬度和地位與其測試的物體層數(shù)有關，為丈量石墨烯層數(shù)供給了一個高效力、無損壞的表征手腕。

　　　　石墨烯和石墨本體一樣在1580cm ( G峰) 和2700cm (2峰) 2個地位有比擬顯明的吸收峰，相比石墨本體，石墨烯在1580 cm處的接收峰強度較低，而在2700 cm 處的吸收峰強度較高， 并且不同層數(shù)的石墨烯在2700 cm 處的吸收峰地位略有移動。 石墨烯—轉(zhuǎn)變世界的新材料　　我們每個人都有使用鉛筆的閱歷，但幾乎沒有人意識到當我們用鉛筆在紙上留下字跡的同時也不知不覺地制造出了很有可能在不久的將來轉(zhuǎn)變?nèi)祟惿牡男虏牧?。這種目前在科學界Zui熱點的材料就是石墨烯。顧名思義，石墨烯與石墨有緊密的接洽。我們知道，石墨是一類層狀的材料，它是由一層又一層的二維平面碳原子網(wǎng)絡有序堆疊而形成的。由于層間的作用力較弱，因此石墨層間很輕易互相剝離，形成薄的石墨片，這也正是鉛筆能在紙上留下痕跡的原因。這樣的剝離存在一個Zui小的極限，那就是單層的剝離，即形成厚度只有一個碳原子的單層石墨，這就是石墨烯。但久長以來，科學家們從理論上一直以為這種純潔的二維晶體材料是無法穩(wěn)定存在的，一些試圖制備石墨烯的工作也均以失敗而告終。直到2004年，英國曼徹斯特大學的A. Geim教授及其合作職員憑借極大的耐煩與一點點運氣終于如大海撈針般首次發(fā)現(xiàn)了石墨烯。他們采用的手腕與鉛筆寫字有異曲同工之妙，即通過透明膠帶對石墨進行重復的粘貼與撕開使得石墨片的厚度逐漸減小，終極通過顯微鏡在大批的薄片中尋找到了理論厚度只有0.34納米（約為頭發(fā)直徑的二十萬分之一）的石墨烯。這一發(fā)現(xiàn)在科學界引起了宏大的轟動，不僅是由于它打破了二維晶體無法真實存在的理論預言，更為主要的是石墨烯的涌現(xiàn)帶來了眾多出乎人們意料的新獨特性，使它成為繼富勒烯和碳納米管后又一個里程碑式的新材料。而Geim教授也憑借這一發(fā)現(xiàn)獲得了2008年諾貝爾物理學獎的提名。

　　　　石墨烯這一目前世界上Zui薄的物資首先讓凝集態(tài)物理學家們驚喜不已。由于碳原子間的作用力很強，因此即使經(jīng)過多次的剝離，石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)依然相當完全，這就保證了電子能在石墨烯平面上暢通無阻的遷移，其遷移速率為傳統(tǒng)半導體硅材料的數(shù)十至上百倍。這一上風使得石墨烯很有可能代替硅成為下一代超高頻率晶體管的基本材料而普遍運用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。目前科學家們已經(jīng)研制出了石墨烯晶體管的原型，并且樂觀地預計不久就會呈現(xiàn)全由石墨烯構(gòu)成的全碳電路并普遍利用于人們的日常生涯中。此外，二維石墨烯材料中的電子行動與三維材料截然不同，無法用傳統(tǒng)的量子力學加以說明，而必需應用更為龐雜的相對論量子力學來闡釋。因此石墨烯為相對論量子力學的研究供給了很好的平臺，而在這之前科學家們只能在高能宇宙射線或高能加速器中對該理論進行驗證，如今終于可以在普通環(huán)境下輕松開展研究了。

　　　　石墨烯還具有超高的強度，碳原子間的強盛作用力使其成為目前已知的力學強度Zui高的材料，并有可能作為添加劑普遍運用于新型高強度復合材料之中。石墨烯良好的導電性及其對光的高透過性又讓它在透明導電薄膜的應用中獨具上風，而這類薄膜在液晶顯示以及太陽能電池等范疇至關主要。另外，石墨烯在高敏銳度傳感器和高性能儲能器件方面也已經(jīng)展現(xiàn)出誘人的運用遠景?？梢哉f，石墨烯的呈現(xiàn)不僅給科學家們供給了一個布滿魅力與無窮可能的研究對象，更讓我們對其充斥了等待，也許在不久的將來，石墨烯就會為我們搭建起更加便捷與美妙的生涯。

　　　　看了以上的先容，假如你對石墨烯產(chǎn)生了興致的話，不妨也可以嘗試著DIY一下。實在很簡略，只要你一點石墨、有一卷膠帶和一臺顯微鏡就可以了，當然還要加上足夠的耐煩。好了，現(xiàn)在你就可以像Geim教授一樣開始在科學世界中的摸索了。


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