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石墨烯的主要特性

(2019-07-07 12:16:12)
标签:

光学

热性能

力学特性

电子效应

霍尔效应

分类: 前沿科技

石墨烯独特的二维晶体结构赋予石墨烯很多优异的性能,它拥有巨大的比表面积(2630/g)高电子迁移率(200000cm2/(V·S))高杨氏模量(1.0TPa)高热导率(5000W/(m·K))高光学透过率(97.7%)和杰出的导电性,这些性能令石墨烯在锂电池超级电容器传感器件纳米复合材料催化剂等诸多领域具有良好的应用前景

(一)电子效应

石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/(V·S),这一数值超过了硅材料的10,是目前已知载流子迁移率最高的物质锑化铟(InSb)的两倍以上在某些特定条件下,如低温下,石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/(V·S)与很多材料不一样,石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小,研究人员发现,50500K之间的任何温度下,单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm2/(V·S)左右

科学家们发现,石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应,在碰到杂质时不会产生背散射,这是石墨烯具有超强导电性以及很高的载流子迁移率的原因石墨烯中的电子与光子均没有静止质量,它们的速度是和动能没有关系的常数这些奇特的电子效应使石墨烯在电子领域具有非常广阔的应用潜力,未来有可能取代硅,制备耗电更少更易散热性能更优的电子半导体器件

信息行业的发展完全得益于过去五六十年的基础物理的发现,如今芯片越来越小,散热问题却无法解决,已构成阻碍信息业技术发展的瓶颈而拓扑绝缘体就是内部绝缘表面导电的绝缘体,它将在信息业中得到重要应用,而且正从科学预言转化为技术1980年发现量子霍尔效应的实验条件是18T的强磁场和1.5K的低温;1982年发现分数量子霍尔效应的实验条件是20T的强磁场和0.525mK的低温

2006年张首晟研究组首先巧妙地利用电子的除粒子性外的另一特性——自旋性,提出利用电子和轨道耦合理论实现拓扑绝缘体材料的方案2007,首次在没有强磁场和室温条件下观察到了量子霍尔效应这种量子霍尔效应后来被称为自旋量子霍尔效应

石墨烯是一种零隙半导体,因为它的导带和价带在狄拉克点相遇,要在室温下观测到石墨烯中的量子霍尔效应需要极强的磁场所以,室温下石墨烯中的量子霍尔效应目前还没有实际的用处

(二)力学特性

石墨烯是目前已知强度最高的材料之一,同时它还具有很好的韧性,且可以弯曲,石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa,固有的拉伸强度为130GPa而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度,平均模量可达0.25TPa,不过它的断裂强度并没有报道

此外,目前人们利用单个GO片组装成了一种纸状材料这种材料的平均弹性模量和最大断裂强度分别达到了32GPa120MPa通过石墨烯片间的化学交联作用,GO纸状材料的机械性能得到了很大程度的提高与过滤方法制备的GO纸状材料相比,通过在气液界面蒸发GO的水溶胶得到的自组装GO纸状材料的模量稍低,但拉伸强度较高用肼还原的方法来控制还原石墨烯的分散,以此来制备堆叠的或重叠的还原石墨烯纸状材料,这种材料经退火处理后,它的硬度和拉伸强度远高于目前制备的GO纸状材料

石墨烯优异的力学性能使其在制备高强度材料领域具有广阔的应用前景,还可作为压力传感器谐振器等用于纳米电力学体系如果石墨烯用在航空航天设备中,可大大减少负荷石墨烯可作为金属材料的添加剂,如金属基石墨烯复合材料合金会大大提高合金材料的屈服和抗拉强度,在航天领域的潜在应用价值极大

(三)热性能

石墨烯具有非常好的热传导特性纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK,是目前为止导热系数最高的碳材料,高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)当它作为载体时,它的导热系数也可达600W/mK

研究者对石墨烯在不同载体上的导热性并没有过多的研究,但可以通过Klemens效应来预测由于能将电子产品运行中产生的大量热量快速扩散到空气中,使其获得更好的工作性能和稳定性,石墨烯在电子设备散热应用中具有非常广阔的前景由于具备高的热电转化效率及独特的物理化学性质,石墨烯吸引了众多科学家的目光最近的研究发现,由于石墨烯的透明性柔性可快速加热以及石墨烯片层上温度的均匀性,石墨烯被视为理想的加热元件采用化学气相沉积(CVD)法制造的石墨烯薄膜,由于它的电阻低,同时透光率可高达89%,因此被视为制造低压透明导电加热器的理想材料

石墨烯的弹道热导率是各向同性的,3D版石墨的热导率是各向异性的基底面导热系数超过1000W/mK(相当于钻石)由于基底面之间较大的晶格间距和弱约束力,石墨c(平面外)的热导率约为xy平面的百分之一

20年前,巴斯夫公司就发表了应用石墨热导率的各向异性关于石墨和泡沫聚苯乙烯复合材料的专利,很快开发了商品牌号为neopor®GPS的智能型保温材料,该材料在欧美市场有很大的份额,主要用于建筑物保温由于原始专利快要过期,所以国内相关企业也正在进行类似的研究

(四)光学特性

石墨烯具有非常好的光学特性,在较宽波长范围内吸收率约为2.3%,即透过率为97.7%,看上去几乎是透明的在几层石墨烯厚度范围内,厚度每增加一层,吸收率增加2.3%,因此可用透光率来计算石墨烯的层数理论和实验结果表明,大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性,且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化这是单层石墨烯具有不寻常的低能电子结构电子和空穴的锥形带在狄拉克点相遇的结果

CVD法生长的石墨烯薄膜的厚度和折射率可用多参数表面等离子体共振技术进行表征在室温下对双栅极双层石墨烯场效应晶体管施加电压,石墨烯的带隙可在00.25eV(大约5rim波长)调整施加磁场,石墨烯纳米带的光学响应可调谐至太赫兹范围石墨烯/GO系统具有电致变色性能,允许线性光学性质和超快光学性质的调制而以石墨烯为原料制成的石墨烯透明导电薄膜具有优异的透光性和导电性,被广泛用于触摸屏和柔性显示领域,并有可能取代ITO成为下一代柔性显示领域不可或缺的材料

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