石墨烯物理性質(zhì)的研究

摘 要：自2004年曼徹斯特大學的安德烈海姆第一次研究出石墨烯以來，由于其自身具有的特殊性質(zhì)，多個科學家對其性能進行了研究，就發(fā)現(xiàn)其具有應用推廣的可能性。理想的石墨烯是由碳原子所組成的正六邊形，形狀同傳統(tǒng)的網(wǎng)相似，是至今所發(fā)現(xiàn)的最薄的材料。石墨烯自身的特殊性打破了自由態(tài)二維晶體結(jié)構(gòu)熱力學穩(wěn)定性差，不能在普通環(huán)境當中存在的說法，而且將碳材料家族當中的成分進行了充實。

關(guān)鍵詞：石墨烯；物理性質(zhì)；研究

中圖分類號：O613.71 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）15-0328-01

1 前 言

石墨烯具有自身的特殊性，研究人員通過多種方法對其物理及材料特性進行了試驗。石墨烯的材料強度在所有已知材料中是比較高的，其強度最高的能夠達到鋼的一百多倍，同時它的載流子遷移率是至今已知的遷移率最高的銻化銦材料的兩倍，商用硅片的遷移率高了十倍以上。而且石墨烯的導熱率是金剛石的三倍，具備室溫量子霍爾和室溫鐵磁性質(zhì)。在石墨烯為平面晶體片的時候，可以使用常規(guī)加工方法制作各種納米器件。

2 石墨烯概述

實際上，在科學家研制出來以前，石墨烯就已經(jīng)在自然界中存在，但是因為其很難進行單層結(jié)構(gòu)的剝離，所以石墨烯后來才被發(fā)現(xiàn)并命名。在科學史上，對于石墨烯的定義是由太原子以sp2雜化軌道組成然后得到的呈六角形的蜂巢晶格，屬于二維碳納米材料。當石墨烯經(jīng)過一層層累加折疊時，最終所形成的材料就是石墨。在單位為1mm的石墨烯當中，所擁有的石墨烯大概有300萬層，有的時候我們在紙上用鉛筆寫下一行字，甚至是輕輕地留下痕跡，可能就會有一層石墨烯。

石墨烯最早是在2004年被英國曼徹斯特大學的科學家，安德列蓋姆以及康斯坦丁諾沃肖洛夫所發(fā)現(xiàn)。提出兩者是在對石墨進行實驗時發(fā)現(xiàn)能夠使用一種簡單的方法，將石墨進行更薄的分離。他們采用的方法是進行高定向熱解石墨，然后從中剝離出石墨片。在石墨片的兩面，分別粘上一層特殊的膠帶，然后用力將膠帶撕開，就能夠使石墨片變成兩半，通過這樣的方式不斷循環(huán)，最終將石墨片分解得越來越薄，最終他們得到了只存在一層碳原子的薄片，這個薄片就是石墨烯。在兩者發(fā)現(xiàn)石墨烯之后，制備石墨烯的方法越來越多。五年后，兩者又在單雙層石墨烯體系中發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應和常溫條件下的量子霍爾效應。依靠這項發(fā)現(xiàn)兩者在2010年獲得諾貝爾物理獎。石墨烯的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)物理學家的認知，給凝聚體物理學學術(shù)界帶來了巨大的震動，引起了非常強烈的反響。

3 石墨烯物理性質(zhì)分析

（1）石墨稀有的力學特性。先前已知的材料當中，石墨烯的強度是最高的，而且在具有高強度的同時，它還具有非常好的韌性，能夠進行任意的彎曲。經(jīng)過實驗證明，石墨烯的楊氏模量達到了1.0tpa，拉伸強度是130gpa。在使用石墨烯的時候，可以將其同其它離子進行結(jié)合，將其與氫離子進行結(jié)合改性所得到的材料就是還原石墨烯，該種材料的強度也非常好，經(jīng)過實驗其楊氏模量平均水平在0.25tpa。將石墨烯薄片進行疊加組合就得到石墨紙，其表面擁有很多的孔，所以這種紙顯得非常脆。但是如果將石墨烯進行氧化，就會得到功能化石墨烯，利用功能化石墨烯進行疊加所得到的石墨紙則會非常堅固，并且強韌?？梢园l(fā)現(xiàn)，石墨烯本身具有非常高的強度以及韌性，將其與其他離子或者其他化學反應所得到的材料也會擁有石墨烯的力學特性，雖然有所減少，但是同其他材料相比，仍具有一定的優(yōu)越性。

（2）石墨烯的電子效應。在常溫下對石墨烯進行實驗，發(fā)現(xiàn)其載流子遷移率是15000cm2/（V.s），通過對比發(fā)現(xiàn)常用的硅材料載流子遷移率在室溫狀態(tài)下僅為石墨稀的1/10，而目前所知道的載流子遷移率最高的物質(zhì)是銻化銦，即使如此，石墨烯的載流子遷移率仍舊比銻化銦高，并且達到了兩倍以上。在室溫狀態(tài)下石墨烯的載流子遷移率已經(jīng)比較高了，而在低溫情況下，石墨烯的載流子遷移率會達到室溫狀態(tài)下的十倍以上。和其他材料不一樣的地方是石墨烯自身的電子遷移率受周邊溫度的影響非常小，在溫度范圍為5萬～50萬之間的任何溫度，單層石墨烯的電子遷移率都能夠穩(wěn)定在15000cm2/（v.s）。除此之外，石墨烯還擁有半整數(shù)量子霍爾效應，這種效應能夠在電場的作用下通過電子載體以及空穴載流子所引起的化學勢間接觀察到?？茖W家在對其進行實驗時，在室溫條件下就已經(jīng)觀察到了這種量子霍爾效應。石墨烯內(nèi)部所存在的載流子在進行運動時并不是毫無規(guī)律的，而是遵照一種非常特殊的量子隧道效應，當載流子在運行過程當中遇到雜質(zhì)時，不會出現(xiàn)背散射的情況，這就是石墨烯具有非常高的載流子遷移率以及局域超強導電性的原因。

（3）石墨烯擁有非常良好的熱傳導能力。在實驗中測試完好的沒有任何缺陷的單層石墨烯，測得其導熱系數(shù)為5300/mK，在如今已知的碳材料當中，其導熱系數(shù)已經(jīng)處于最高水平，單壁碳納米管和多壁碳納米管的導熱系數(shù)都沒有石墨烯高。不止自身的導熱系數(shù)高，當其作為載體進行熱傳導時導熱系數(shù)也達到了600w/mK。

（4）石墨烯的光學特性。在光的波長較寬的范圍內(nèi)，石墨烯的吸收率大概在2.3%，這時候的石墨烯看上去呈透明狀。若是進行層與層的石墨烯疊加，每增加一層石墨烯，其自身的光吸收率會增加2.3%。同樣地可用于大面積的石墨烯薄膜，也具有非常好的光學特性。

4 結(jié)束語

自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，在多領(lǐng)域當中，其具有的優(yōu)良性能都得到了體現(xiàn)。在今后的研究過程當中，石墨烯自身具有的更多優(yōu)良特性也將會被發(fā)現(xiàn)，并且被應用到多領(lǐng)域當中，為社會生活以及經(jīng)濟發(fā)展做出非常重要的貢獻。

參考文獻

[1]Liang J J，Xu Y F，Huang Y，Zhang L，Wang Y，Ma Y F，Li F F，Guo T Y，Chen Y S.Infrared-triggered actuators from graphene-based nanocomposites.J Phys Chem C，2015，113：9921～9927.

[2]孫大立，彭盛霖，歐陽俊，等.物理化學學報，2018（05）：65～66.

收稿日期：2018-4-23