石墨烯的性質(zhì)及其導(dǎo)電性能的應(yīng)用,無機(jī)化學(xué)論文

石墨烯的性質(zhì)及其導(dǎo)電性能的應(yīng)用,無機(jī)化學(xué)論文2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家AndrewGeim和KonstantinNovoselov[1]成功的在實(shí)驗(yàn)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(xué)獎(jiǎng)，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(gè)碳原子厚度的單層片狀構(gòu)造的新材料。石墨烯獨(dú)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(shí)具備透明、導(dǎo)電和柔性三大屬性的材料。曼徹斯特大學(xué)講師亞拉文博士〔AravindVijayaraghavan〕講道這三種屬性很少能在同一個(gè)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(yīng)用前景，同時(shí)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(shè)備、超動(dòng)力的量子計(jì)算機(jī)、電子服裝及可與身體細(xì)胞溝通的計(jì)算機(jī)。據(jù)(紐約時(shí)報(bào)〕報(bào)道，石墨烯是一種神奇的材料，它具備顛覆當(dāng)下所有電子設(shè)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(dǎo)電性能及其復(fù)合材料在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用以及發(fā)展前景。1石墨烯的性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)石墨烯是人類已經(jīng)知道強(qiáng)度最高的的材料，比世界上強(qiáng)度最高的鋼鐵高100多倍。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家曾經(jīng)做過這樣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)：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(duì)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(dāng)于要施加55N的壓力才能使1m的石墨烯斷裂。導(dǎo)電性質(zhì)石墨烯具有超高的電子遷移率，電子的運(yùn)動(dòng)速度到達(dá)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(xué)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(dá)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(dòng)極小，其在光學(xué)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(dòng)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(xué)性質(zhì)石墨烯也是一種熱穩(wěn)定材料。石墨烯的熱導(dǎo)率高達(dá)5300瓦/〔米開〕，是銅的13倍。研究發(fā)現(xiàn)：單層石墨烯的導(dǎo)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(diǎn)；在室溫以上，石墨烯的熱導(dǎo)率隨著溫度的增加而減小?；瘜W(xué)性質(zhì)當(dāng)前已經(jīng)知道的化學(xué)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(xué)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(xué)性質(zhì)。石墨烯的化學(xué)性質(zhì)研究將在今后數(shù)年內(nèi)成為一個(gè)研究熱門。2石墨烯導(dǎo)電性能的應(yīng)用石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性能使其在微電子領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用電極材料是超級(jí)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(jí)電容器也屢見報(bào)道[4]，然而石墨烯極超級(jí)電容器的電容性并不令人滿意，存在在高相對(duì)速度下傳遞高能量對(duì)電容器本身有較大的損耗，循環(huán)使用次數(shù)少等缺點(diǎn)。為了提高超級(jí)電容器的電容性，研究人員對(duì)此作了大量的相關(guān)研究。2020年，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員[5]發(fā)明了一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級(jí)電容器，它是一種新型的儲(chǔ)能裝置，具有充電時(shí)間短、使用壽命長、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。這種電容器不僅外形小巧，而且充電、放電速度比標(biāo)準(zhǔn)電池快100到1000倍，事實(shí)證明，它能夠在數(shù)秒內(nèi)為手機(jī)甚至汽車充滿電。這種超級(jí)電容器有望替代傳統(tǒng)蓄電池推動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展以及解決風(fēng)能、太陽能等間歇性能源的儲(chǔ)存問題。2.2石墨烯透明導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用石墨烯透明導(dǎo)電薄膜具有較高的透光率和優(yōu)良的導(dǎo)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(dǎo)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(jī)制備成薄膜。這種油墨的外表張力相對(duì)較低所得的導(dǎo)電薄膜能夠用來制備具有適當(dāng)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(yīng)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(jī)石墨烯觸摸屏，這項(xiàng)研究成果突破了石墨烯產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)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(jí)技術(shù)研究所和韓國成均館大學(xué)共同公布，他們?cè)谌蚍秶鷥?nèi)初次合成了一種可保證導(dǎo)電性的石墨烯晶體，該成果可在保持材料電力和機(jī)械屬性的同時(shí)，可將大面積石墨烯加工成半導(dǎo)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(qiáng)對(duì)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(dǎo)體材料中重要的器件之一，它廣泛應(yīng)用于照明、通訊等領(lǐng)域。韓國首爾國立大學(xué)的研究人員[7]，在多層石墨烯上以嚴(yán)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(jìn)一步實(shí)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(dǎo)體的發(fā)光特性，同時(shí)利用了石墨烯的電學(xué)與機(jī)械特性，為后續(xù)電學(xué)與光電學(xué)器件的集成設(shè)計(jì)提供了靈敏的思路[8]。2.4石墨烯電池應(yīng)用新能源電池是石墨烯最早商用的重要應(yīng)用產(chǎn)品之一。美國麻省理工學(xué)院的一份報(bào)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(jī)、手機(jī)等小型隨身電子設(shè)備提供連續(xù)使用的能量，將來具備太陽能電源的設(shè)備將更為小巧美觀。2020年，意大利ProTrade公司的技術(shù)人員費(fèi)瑞博士介紹，他們研發(fā)出的用于電動(dòng)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(shí)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。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(xué)得悉[9]，該校獲批一項(xiàng)國際科技合作項(xiàng)目，與美國密蘇里州立大學(xué)和美國了勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室合作，聯(lián)合開發(fā)石墨烯基太陽能電池，該項(xiàng)目國家提供科研經(jīng)費(fèi)480萬元，負(fù)責(zé)人為青科大泰山學(xué)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(dá)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(jìn)直接做成燈泡的護(hù)罩，還能夠設(shè)計(jì)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(xiàng)新的功能。石墨烯太陽能電池的應(yīng)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(dǎo)電性和柔韌性,其導(dǎo)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(dǎo)電薄膜，其電導(dǎo)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(shí)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(dǎo)電薄膜。復(fù)合膜由于其優(yōu)良的機(jī)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(dǎo)電摻雜氟的氧化銦錫和絕緣對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)。實(shí)驗(yàn)表示清楚摻雜銀納米線/石墨烯的PET不僅具有優(yōu)良的導(dǎo)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(dǎo)電性石墨烯晶體管石墨烯晶體管的導(dǎo)電性常被石墨烯極接觸點(diǎn)的電阻所限制，怎樣提高石墨烯晶體管的導(dǎo)電性，是石墨烯復(fù)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(diǎn)的石墨烯部分被氫化腐蝕構(gòu)成多個(gè)納米尺度的小孔，而石墨烯通道則保持完好無缺，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了石墨烯超低電阻金屬接觸點(diǎn)。浸透型石墨烯的源極/漏極和純的鋸齒形終端構(gòu)成強(qiáng)的化學(xué)鍵而不需要進(jìn)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(diǎn)的在單層場效應(yīng)晶體管中的電阻只要100m，而在雙層石墨烯場效應(yīng)晶體管中為11m。除此之外，接觸點(diǎn)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(xué)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(dǎo)電性、高熱化學(xué)穩(wěn)定性和理想的靈敏性，石墨烯及其復(fù)合材料在高性能靈敏的能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存、柔性電子產(chǎn)品以及其它設(shè)備上得到了更廣泛的應(yīng)用。我們國家在石墨烯的應(yīng)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(xué)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(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。21世紀(jì)是碳的時(shí)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(yīng)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(jì)的神奇材料將會(huì)帶來如何的驚喜。以下為參考文獻(xiàn)：［1］NovoselovKS,GeimAK,MorozovSV,etal.Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms[J].Science,2004,306(5296):666-669.［2］張文毓，全識(shí)俊.石墨烯應(yīng)用研究進(jìn)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(jí)電容器中的應(yīng)用研究[J].材料導(dǎo)報(bào),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(jí)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