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石墨烯的結構、性能及應用
來源: | 作者:三順納米 | 發布時間: 2018-05-29 | 1712 次瀏覽 | 分享到:

1. 石墨烯的結構
        石墨烯是一種二維晶體,由碳原子按照六邊形進行排布,相互連接,形成一個碳分子,其結構非常穩定;隨著所連接的碳原子數量不斷增多,這個二維的碳分子平面不斷擴大,分子也不斷變大。單層石墨烯只有一個碳原子的厚度,即0.335納米,相當于一根頭發的20萬分之一的厚度,1毫米厚的石墨中將近有150萬層左右的石墨烯。除了單層石墨烯,碳原子層數少于10層的石墨烯則稱為多層石墨烯,見圖1和圖2。

   
    

圖1:石墨烯的SEM圖                                                            圖2:石墨烯的TEM圖


        石墨烯的結構非常穩定,迄今為止,研究者仍未發現石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌,當施加外部機械力時,碳原子面就彎曲變形,從而使碳原子不必重新排列來適應外力,也就保持了結構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時,不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強,在常溫下,即使周圍碳原子發生擠撞,石墨烯中電子受到的干擾也非常小。


2. 石墨烯的性能及應用
2.1 石墨烯的性能
        石墨烯材料自2004年被發現后,迅速引發全球范圍內的研究熱潮。其所具有的種種奇特性質,如高強度(超過金剛石)、高透光率(單層97.7%)、高熱導率(室溫下單層5300 W/m·K)、高電子遷移率(>15000 cm2/V·s)、室溫量子霍爾效應等,為其在微電子、光電子、微納傳感器、能源、機械等領域的潛在應用奠定了堅實的基礎,同時也給多個領域帶來革命性變革的巨大期望。

 

圖3:最強性能

 

圖4:獨特性能


2.2 石墨烯的應用
        2010年的諾貝爾物理學獎吸引了全球范圍內對石墨烯的關注度,相關生產、應用的研發投入呈現大幅增加的趨勢。大量的研究結果表明,石墨烯材料對于新能源產業具有較強的提升作用,其在鋰離子動力電池、超級電容器等行業展現了誘人的前景。


          從國內外公開報道的信息來看,當前石墨烯技術開發主要集中在以下幾個方面:
(1) 石墨烯在鋰離子電池、超級電容器方面的應用;
(2) 石墨烯在半導體器件方面的應用;
(3) 石墨烯在復合材料方面的應用;
(4) 石墨烯在透明顯示觸摸屏、透明電極方面的應用;
(5) 石墨烯在傳感器方面的應用;
(6) 石墨烯在構筑結構材料方面的應用。


          其中,國內主要集中于石墨烯材料的制備及其在鋰離子電池中的應用研究;日本和韓國分別在石墨烯薄膜/晶體管和納米器件的開發領域處于技術領先。其具體的應用方向,見圖5。



圖5:石墨烯的主要應用方向



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