石墨烯的介绍,几分钟了解什么是石墨烯

文章来源:    发布时间:2020-03-30

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的准二维材料,所以又叫做单原子层石墨。

石墨烯是一种二维晶体,人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

这些就是对“什么是石墨烯”的基本定义,下面我们来看看石墨烯的结构。

石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构,它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube,CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite),因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环,是最理想的二维纳米材料。

理想的石墨烯结构是平面六边形点阵,可以看做是一层被剥离的石墨分子,每个碳原子均为sp2杂化,并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键,π电子可以自由移动,赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看做是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。

石墨烯的结构非常稳定,碳碳键(carbon-carbon bond)仅为1.42Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧,当施加外力于石墨烯时,碳原子面会弯曲变形,使得碳原子不必重新排列来适应外力,从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。

很多人以为石墨烯是在2004年被发现的,其实不然。

20世纪初,X射线晶体学创立以来,科学家就已经开始接触石墨烯了。

1918年,V. Kohlschütter和P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质(graphite oxide paper)。

1948年,G. Ruess和F. Vogt发表了最早用穿透式电子显微镜拍摄的少层石墨烯图像。

最初,科学家试着使用化学剥离法(chemical exfoliation method)来制造石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨,得到石墨层间化合物。在其三维结构中,每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过化学反应处理,除去嵌入的大原子或大分子后,会得到一堆石墨烯烂泥。由于难以分析与控制这堆烂泥的物理性质,科学家并没有继续这方面研究。

2004年,曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子理工学院的两组物理团队共同合作,首先分离出单独石墨烯平面。海姆和团队成员偶然地发现了一种简单易行的制备石墨烯的新方法。他们将石墨片放置在塑料胶带中,折叠胶带粘住石墨薄片的两侧,撕开胶带,薄片也随之一分为二。不断重复这一过程,就可以得到越来越薄的石墨薄片,而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。

2004年,康斯坦丁·诺沃肖罗夫教授和安德鲁-盖姆教授首次分离出石墨烯。他们利用胶带剥离石墨上的薄层,而后将其放在硅片上并借助显微镜进行观察以进行确认。

2005年,曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子(quasiparticle)是无质量迪拉克费米子(Diracfermion)。类似这样的发现引起一股研究石墨烯的热潮。

其实关于什么是石墨烯的介绍还有很多,比如石墨烯的特性有哪些呢、石墨烯的应用有哪些呢等等。

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