重生之點亮科技樹 第276章 加快石墨烯應(yīng)用進程

同樣是第二天，陳楚默來到了位于江心洲的石墨烯子公司。

既然知道了特斯拉財團馬上要推出新型石墨烯。

雖然還不知道，他們所研發(fā)的技術(shù)，量產(chǎn)的價格具體是多少。

但是，優(yōu)化自己的產(chǎn)能加快石墨烯的應(yīng)用進程，總是沒錯的。

以下，過一個小時再看！

實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre

Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin

Novoselov）發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。他們共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎，石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。[3]

這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮。2009年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎。在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚體物理學(xué)學(xué)術(shù)界。雖然理論和實驗界都認為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯能夠在實驗中被制備出來。[5]

2018年3月31日，中國首條全自動量產(chǎn)石墨烯有機太陽能光電子器件生產(chǎn)線在山東菏澤啟動，該項目主要生產(chǎn)可在弱光下發(fā)電的石墨烯有機太陽能電池（下稱石墨烯OPV），破解了應(yīng)用局限、對角度敏感、不易造型這三大太陽能發(fā)電難題。[4]

2018年6月27日，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布新制訂的團體標(biāo)準(zhǔn)《含有石墨烯材料的產(chǎn)品命名指南》。這項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了石墨烯材料相關(guān)新產(chǎn)品的命名方法。[6]

理化性質(zhì)編輯

物理性質(zhì)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

石墨烯內(nèi)部碳原子的排列方式與石墨單原子層一樣以sp2雜化軌道成鍵，并有如下的特點：碳原子有4個價電子，其中3個電子生成sp2鍵，即每個碳原子都貢獻一個位于pz軌道上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌道與平面成垂直方向可形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態(tài)。研究證實，石墨烯中碳原子的配位數(shù)為3，每兩個相鄰碳原子間的鍵長為1.42×1010米，鍵與鍵之間的夾角為120°。除了σ鍵與其他碳原子成六角環(huán)的蜂窩式層狀結(jié)構(gòu)外，每個碳原子的垂直于層平面的pz軌道可以形成貫穿全層的多原子的大π鍵（與苯環(huán)類似），因而具有優(yōu)良的導(dǎo)電和光學(xué)性能。[7]

單層

單層

力學(xué)特性

石墨烯是已知強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達1.0TPa，固有的拉伸強度為130GPa。而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強度，平均模量可大0.25TPa。[8]由石墨烯薄片組成的石墨紙擁有很多的孔，因而石墨紙顯得很脆，然而，經(jīng)氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨紙則會異常堅固強韌。[8]

電子效應(yīng)

石墨烯構(gòu)成富勒烯、碳納米管和石墨示意圖

石墨烯構(gòu)成富勒烯、碳納米管和石墨示意圖

石墨烯在室溫下的載流子遷移率約為15000cm2/（V·s），這一數(shù)值超過了硅材料的10倍，是已知載流子遷移率最高的物質(zhì)銻化銦（InSb）的兩倍以上。在某些特定條件下如低溫下，石墨烯的載流子遷移率甚至可高達250000cm2/（V·s）。與很多材料不一樣，石墨烯的電子遷移率受溫度變化的影響較小，50500K之間的任何溫度下，單層石墨烯的電子遷移率都在15000cm2/（V·s）左右。

另外，石墨烯中電子載體和空穴載流子的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)可以通過電場作用改變化學(xué)勢而被觀察到，而科學(xué)家在室溫條件下就觀察到了石墨烯的這種量子霍爾效應(yīng)。[9]石墨烯中的載流子遵循一種特殊的量子隧道效應(yīng)，在碰到雜質(zhì)時不會產(chǎn)生背散射，這是石墨烯局域超強導(dǎo)電性以及很高的載流子遷移率的原因。石墨烯中的電子和光子均沒有靜止質(zhì)量，他們的速度是和動能沒有關(guān)系的常數(shù)。[8]

石墨烯是一種零距離半導(dǎo)體，因為它的傳導(dǎo)和價帶在狄拉克點相遇。在狄拉克點的六個位置動量空間的邊緣布里淵區(qū)分為兩組等效的三份。相比之下，傳統(tǒng)半導(dǎo)體的主要點通常為Γ，動量為零。[10]

熱性能

石墨烯具有非常好的熱傳導(dǎo)性能。純的無缺陷的單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達5300W/mK，是為止導(dǎo)熱系數(shù)最高的碳材料，高于單壁碳納米管（3500W/mK）和多壁碳納米管（3000W/mK）。當(dāng)它作為載體時，導(dǎo)熱系數(shù)也可達600W/mK。[8]此外，石墨烯的彈道熱導(dǎo)率可以使單位圓周和長度的碳納米管的彈道熱導(dǎo)率的下限下移。[11]

石墨烯具有非常良好的光學(xué)特性，在較寬波長范圍內(nèi)吸收率約為2.3，看上去幾乎是透明的。在幾層石墨烯厚度范圍內(nèi)，厚度每增加一層，吸收率增加2.3。大面積的石墨烯薄膜同樣具有優(yōu)異的光學(xué)特性，且其光學(xué)特性隨石墨烯厚度的改變而發(fā)生變化。這是單層石墨烯所具有的不尋常低能電子結(jié)構(gòu)。室溫下對雙柵極雙層石墨烯場效應(yīng)晶體管施加電壓，石墨烯的帶隙可在00.25eV間調(diào)整。施加磁場，石墨烯納米帶的光學(xué)響應(yīng)可調(diào)諧至太赫茲范圍。[12]

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