新材料之王石墨烯 真有那么厉害吗?

科普中国-科普融合创作与传播 2019-05-06

  出品:科普中国

  制作:Dumuzhou 中科院半导体所

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  石墨烯作为一种纳米材料经常出现在新闻里,它被媒体称为“新材料之王”,这是言过其实?还是确有其事?

  这种“新材料”貌似与我们的距离非常遥远。而实际上,它却早已出现在生活中,只是没被我们察觉罢了。比如石墨烯口罩已经面世,而且其防雾霾效果远远优于市面上的口罩。

  

  不同材质口罩的作用

  图片来自:https://m.tb.cn/h.e047XTF

  石墨烯有着优越的性能

  1、是很好的阻隔材料

  石墨烯是一种很致密的材料,由于原子和原子之间的距离很近,只有0.142nm,所以它的键很短。也就是说,包括氢气、氦气这么小的分子、原子都没有办法穿过它。因此它是一种很好的阻隔材料,比表面积可以达到2630平方米每克,面积非常大。

  

  电镜下的石墨烯结构

  图片来源http://polymer.zju.edu.cn/gc/index.php?c=Index&a=news_detail&catid=173&id=8687

  我们可以利用石墨烯的性质来做一些过滤的材料,在上面开一些我们能控制尺寸的小洞,就可以分离不同的气体或者是液体。比如海水里面的盐的分离和水、气分离,空气中的氧气跟氮气的分离或者各种挥发性有机物之间的分离。

  http://m.xincailiao.com/upload/201705/24/201705240804234115.jpg

  图片展示石墨烯如何过滤水中的盐

  图片来源:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=40935

  2、力学拉伸强度相当于钢铁的一百倍

  一种普遍认为的结构式见下图:

  http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180930/26df2dd2a607438ba98eaa4dc49aaa05.jpg

  图片来源:http://www.sohu.com/a/257080200_100193435

  我们在学校里学的一直是:二维材料这样一层原子组成的结构在热力学上是不稳定的,可能会坍塌。虽然在二维层面有一个很强的化学键连接,但是在层和层之间是一种很弱的化学键(这个化学键叫范德华力是一种弱连接)。就像一张纸有两个足球场那么大,但它自己无法支撑自己,除非放在什么上面才行。

  但是石墨烯不一样,石墨烯的力学性质非常之强,它的力学拉伸强度达到130GPa,相当于钢铁的一百倍。通过理论计算可得,如果石墨烯有效的连接厚度能够达到一毫米,它甚至能够撑起一头成年大象的重量。

  

  图片来源:http://www.xiyujundi.com/news/hangye/63.html

  石墨烯的力学性质为何如此强,是因为在每一个碳周围有三个“邻居”,这三个“邻居”形成的碳的键非常短、非常强,支撑了石墨烯高强的力学性质。

  

  图片来源:https://www.soogif.com/

  3、石墨烯的导电性能十分优越

  理论上讲,石墨烯厉害的性质还不止如此,它的电学性质也同样出色,电子迁移率可以达到200,000cm2/Vs,是硅的一百倍。

  

  图片来源:https://www.smzdm.com/p/11444979/

  什么是电子迁移率呢?就是说电子在这种材料里可以跑得多快。一个材料的导电性由两件事情决定,一个是电子在里面跑多快,第二是有多少电子在里面跑。

  晶格结构赋予石墨烯优异的导电性能,石墨烯的电子结构可以通过最近邻法紧束缚模型得到,石墨烯的每一单位晶格有 2 个碳原子,导致其在每个布里渊区有两个等价锥形相交点。

  

  石墨烯能带结构

  图片来源:维基百科

  空穴(又称电洞,指共价键上流失一个电子,最后在共价键上留下空位的现象。)在这些相交点附近的物理行为与狄拉克方程所描述的相对论粒子相似,所以石墨烯中的电子和空穴被称为「狄拉克费米子」,相交点称为「狄拉克点」。

  在狄拉克点附近石墨烯的能量为零,故从这种意义上说它的带隙为零。

   

  图片来源:https://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/ic/index_03_02_03.html

  然而就是因为石墨烯的零能带隙,( 零带隙是指禁带宽度为零。带隙是导带的最低点和价带的最高点的能量之差,带隙越大,电子由价带被激发到导带越难,本征载流子浓度就越低,电导率也就越低。),所以它不是半导体,而属于金属性质,半导体材料的带隙宽度都是大于零的,其实石墨烯在未来微电子学领域有极大的应用前景,但是其零带隙的特点阻碍了石墨烯在半导体领域的应用。那么做电子器件还是有一定的困难。目前,科学家们正在克服这些零能带造成的问题。

  石墨烯优越的性能从哪里来?

  这个问题我们可以扩展为一个材料优质的性能从哪里来?

  我认为有两个方面:第一,从它是什么元素,第二,这些元素是怎么排列的。

  举个例子:比如同样是碳,为什么钻石、石墨值差距这么大?

  http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpdt/201901/W020190116411689597068.png

  金刚石结

  图片来源:http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpdt/201901/t20190116_5230500.html

  钻石是地球上已知最坚硬的物质,它的颜值很高,价格很贵,它透明、坚硬、绝缘。相反,石墨是什么?它是黑色的、松软的、导电的,两种材料完全相反,然而它们都是实实在在由碳组成的材料。钻石中每个碳原子都与其他四個碳原子以化学键相互连接,临近原子间距为 0.154 nm,这个长度称为化学键长。相邻的化学键成 109.5度的夾角,称为化学键角。所有化学键的强度都相等。这个结构看起来就像一个巨大的分子。

   

  http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpdt/201901/W020190116411689656614.png

  石墨结构

  图片来源:http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpdt/201901/t20190116_5230500.html

  石墨与金刚石是C的两个同素异形变体。而且石墨结构中有共价键、分子键等,所以也不遵循最紧密堆积原理。石墨是一个典型的层状结构,层内每个C与周围三个Csp2杂化轨道形成共价键,还有一个p轨道没有参加杂化,这些没有参加杂化的p轨道以垂直于层是方向平行排列,形成一个大π键(相当于金属键),层间还有分子键。

  我们可以看到,在图中钻石是一个三维结构,而石墨只是在二维层面有一个很强的化学键连接,在层和层之间是一种很弱的化学键连接(叫范德华力),这就造成了它们性质的巨大的不同。

  石墨烯光帆甚至能把地球带离太阳系石墨烯具备作为优秀的集成电路电子器件的理想性质。前文已经提到其具有高的载子迁移率以及低的噪声,它被用作在场效应晶体管的沟道。

  根据20101月的一份报告《European collaboration breakthrough in developing graphene》中,对SiC外延生长石墨烯的数量和质量适合大规模生产的集成电路(集成电路)

  另外石墨烯电池也具有储能高,充电快的优点。西班牙的一家工业规模生产石墨烯的公司联合科尔瓦多大学合作研究出全球首个石墨烯聚合材料电池,其储电量是目前市场最好产品的3倍,用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。

  此外,石墨烯还有很多潜在的应用。比如其独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。另外,特殊构型的石墨烯在受光后瞬间会产生大电子流,其非常适合用于太空领域的太阳帆(2016年,由著名投资人尤里-米尔纳资助,并由斯蒂芬-霍金等人牵头启动了一项脑洞大开的太空计划,该计划被命名为Starshot计划。旨在用特种材料做成一个巨大的光帆,然后以光子碰撞能产生恒定动力原理一直对飞船进行加速,最终使其达到光速20%,让载人飞船只需要21年就能到达距离地球4.24光年的恒星系半人马座阿尔法星。研究人员还称:只需一张理想中足够大的光帆,甚至能把地球带离太阳系)。

  参考文献:

  [1]European collaboration breakthrough in developing graphene. NPL. 2010-01-19 [2010-02-21].

  [2]Imaging and Dynamics of Light Atoms and Molecules on Graphene. Nature. 2008, 454: 319. doi:10.1038/nature07094

责任编辑:sun

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