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石墨烯有什么用?(图文)

2011-02-23 12:03:05 来源:

2010年,Geim和Novoselov因为石墨烯的工作获得了诺贝尔物理学奖。

这个奖给很多人都留下了深刻的印象,毕竟不是每一个诺奖的实验工具都像胶带纸一般亲民常见,也不是每以个的研究对象都像“二维晶体”石墨烯那样神奇又易于理解。而2004年的工作能够在2010年就获奖,在最近一些年诺贝尔奖的记录上也是不多见的。

石墨烯(Graphene)是由单层的碳原子紧密排列成二维的蜂巢状六角格子的一种物质。和金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管还有无定形碳一样,它是一种单纯由碳元素构成的物质(单质)。如下图所示,富勒烯和碳纳米管都可以看成是由单层的石墨烯依照某种方式卷成的[1],而石墨正是由很多层石墨烯堆叠成的。利用石墨烯来描述各种碳单质(石墨、碳纳米管和石墨烯)性质的理论研究持续了近六十年,但是普遍认为这样的二维材料是难以稳定地单独存在的,只有依附在三维的衬底表面或者在像石墨那些的物质内部。直到2004年Andre Geim 和他的学生Konstantin Novoselov通过实验 [2] ,从石墨里面剥离出来了单层的石墨烯,关于石墨烯的研究才获得了新的发展。

富勒烯(左)和碳纳米管(中)都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的,而石墨(右)是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的。

如今,石墨烯可以通过很多种方法获得,不同的方法各有利弊。Geim和Novoselov获得石墨烯的方法很简单,他们用超市就能买到的透明胶带,从一块高序热解石墨中剥离出了仅有一层碳原子厚度的石墨薄片——石墨烯。这样方便但是可控性并不那么好,而且只能获得大小在一百微米(十分之一毫米)以下的石墨烯,能够拿来做实验但是很难拿来做实际的应用[1]。化学气相沉积可以在金属表面上生长出数十厘米大小的石墨烯样品,虽然取向一致的区域大小最高只有一百微米[3,4],但是已经适合某些应用的产品生产需求。另外一种比较常见的方法是将碳化硅(SiC)晶体在真空中加热到1100摄氏度以上,使得表面附近的硅原子蒸发掉,而剩余的碳原子重新排布,也能获得性质相当不错的石墨烯样品[5]。

石墨烯是一种有着独特性质的全新材料:它的导电性能像铜一样优秀,它的导热性能比已知的任何材料都要出色。 它很透明,垂直入射的可见光只有很小一部分(2.3%)会被石墨烯吸收,而绝大部分的光都会透过去。它又很致密,连氦原子(最小的气体分子)也不能穿过去。这些神奇的性质并不是从石墨直接继承来的,而是来源于量子力学。其独特的电学、光学等性质决定了它有广阔的应用前景。

石墨烯虽然才出现了不到十年的时间,但已经展现了许多技术上的应用,这一点在物理学和材料科学领域都是很难得的,一般的材料从实验室走向实际生活都需要十几年甚至几十年的时间。石墨烯到底有什么用呢?让我们来看两个例子。

柔软的透明电极

在很多电器里,都需要用到透明的导电材料作为电极,电子表、计算器、电视机、液晶显示器、触摸屏、太阳能电池板等等诸多设备里都无法离开透明电极的存在。传统的透明电极用的是氧化铟锡(Indium Tin Oxide,简称ITO),由于铟的价格高昂和供应受限,而且这种材料比较脆,缺乏柔韧性,并且制作电极过程中需要在真空中层沉积而成本比较高,很长时间以来,科学家们都在致力于寻找它的替代品。除了透明、导电性好、容易制备等要求,如果材料本身的柔韧性比较好话,将适合用来做“电子纸”或者其他可以折叠的显示设备,因此柔韧性也是一个很重要的方面。而石墨烯正是这么一种材料,非常合适来做透明电极。

韩国三星公司和成均馆大学的研究人员利用化学气相沉积的方法获得了对角长度为30英寸的石墨烯,并将其转移到188微米厚的聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,简称PET)薄膜上,进而制造出了以石墨烯为基础的触摸屏[4]。如下图所示,生长在铜箔上的石墨烯先和热剥离型胶带(蓝色透明部分)粘在一起,然后用化学的方法把铜箔溶解掉,最后用加热的方法把石墨烯转移到PET薄膜上去。

生长在铜箔上的石墨烯转移到PET薄膜的过程示意图

生长在铜箔上的石墨烯转移到PET薄膜的过程示意图

研究者们在石墨烯上适当的位置印上银电极,用银电极把材料划分成一块块3.1英寸大小的区域,然后在区域内的石墨烯上放上规则排布的绝缘点阵。这样两片对应的组装在一起就做成了弹性很好的触摸屏器件。当它同电脑上的控制软件连通时,它就能发挥触摸屏的作用了。

从上到下:在石墨烯上印好的银电极把材料分成大小为3.1英寸的区域;组装好的石墨烯触摸屏面板;接到电脑上使用的石墨烯触摸屏。

这个触摸屏的工作原理很容易理解。像下图中显示的那样,触摸屏由上下两层粘在PET薄膜上的石墨烯构成,没有接触的情况下,两层石墨烯被下层上放置的绝缘点阵阻隔而互不接触。当外界压力存在的时候,PET薄膜和石墨烯在压力下发生形变,这样上下两层石墨烯就发生接触,电路联通。接触的位置不同,器件边缘电极收集到的电信号也不一样,通过对电信号的分析,就可以确定是触摸屏上的哪个位置发生了接触。

石墨烯触摸屏的工作原理示意图

石墨烯触摸屏的工作原理示意图。

新型的光电感应设备

石墨烯有非常独特的光学性质。虽然只有一层原子,但是它在整个可见光直到红外的波长范围内都可以吸收入射光的2.3%,这个数字和石墨烯的其他材料参数没有关系,是由量子电动力学决定的[6]。吸收的光会导致载流子(电子和空穴)的产生,石墨烯里面载流子的产生和输运都和传统的半导体有很大不同。这使得石墨烯很合适用来做超快的光电感应设备,据估计,这样的光电感应设备有可能能以500GHz的频率工作,用于信号传输的话,每秒钟可以传送5000亿个0或者1[7],可以在1秒内完成两张蓝光光碟内容的传输。

美国IBM Thomas J. Watson Research Centre的专家们利用石墨烯,制造出了可以工作在10GHz频率的光电感应设备[8]。首先,用“撕胶带法”在覆盖有300纳米厚二氧化硅的硅衬底上面准备好石墨烯小片,然后在上面做出间隔为1微米宽度为250纳米的钯-金或者钛-金电极。这样,就得到了一个以石墨烯为基础的光电感应设备。

石墨烯光电感应设备的示意图和实际样品的扫描电子显微镜(SEM)照片。图中的黑色短线对应5个微米,金属线之间的距离是一个微米。

通过实验,研究者们发现,这种金属-石墨烯-金属结构的光电感应设备最高可以达到16GHz的工作频率,并且可以高速工作在从300纳米(近紫外)到6微米(红外)的波长范围内,而传统的光电感应管则不能对波长较长的红外光响应。石墨烯光电感应设备的工作频率还有很大的提高余地,优越的性能使得它有着广泛的包括通讯、遥控、环境监测在内的应用前景。

作为一种性质独特的新兴材料,关于石墨烯应用的研究层出不穷。我们在这里难以一一列举。将来,还有可能会在日常生活中出现石墨烯做的场效应管、石墨烯做的分子开关、石墨烯做的分子探测器……逐渐走出实验室的石墨烯,一定会在日常生活中大放异彩。

我们可以期待,在不远的将来出现大量的使用石墨烯的电子产品。想想看,如果我们手里的智能手机和上网本在不用的时候,可以卷起来夹在耳朵上,塞在口袋里,或者围在手腕上,那是多么有趣啊!

参考文献:

1.  Geim, A. K. and Novoselov, K. S. , Nature Materials 6 (3): 183–191 (2007).

2. Novoselov, K. S. et al., Science 306 (5696): 666 (2004).

3.  Xuesong Li et al., Science 324 (5932), 1312 (2009).

4. Sukang Bae et al., , Nature Nanotechnology 5, 574-578 (2010).

5. Claire Berger et al., Science 26 (5777), 1191 (2006).

6. R. R. Nair et al., Science 320 (5881), 1308 (2008).

7. Fengnian Xia et al., Nature Nanotechnology 4, 839 (2009).

8. T. Mueller et al., Nature Photonics 4, 297(2010).

感谢候戏、水龙吟、Sheldon、小庄和八爪鱼对本文的帮助。

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