探析石墨烯的物理性質(zhì)和應(yīng)用

趙炳睿??

摘 要：作為新型納米材料的石墨烯是從石墨中提取出來的，具有科學(xué)研究價值大以及實用性強的優(yōu)勢，并在物理應(yīng)用以及電子科技等眾多行業(yè)中得到了廣泛運用。雖然石墨烯研究成功時間較短，但是其經(jīng)過深度研究與發(fā)展之后，可以代替硅膠材料以及晶體管的使用。本文通過介紹石墨烯的組成結(jié)構(gòu)和物質(zhì)理性，深入探尋石墨烯的應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：石墨烯；物理性質(zhì)；結(jié)構(gòu)；應(yīng)用

石墨是人們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｒ娢锲分唬鄬臃涓C狀的平面碳原子按照一定的順序和規(guī)律排列組合在一起也就形成了石墨，其實，石墨中平面碳原子的性能比較穩(wěn)定，相互作用力很小，這也是石墨大多以石墨片為主要形狀的原因。石墨烯可以簡單理解為是只有一個碳原子厚的石墨片。石墨烯的科學(xué)研究時間較長，但在最開始時，石墨烯因自身性能的不穩(wěn)定性而只能依附于其他物體，21世紀(jì)初期，石墨烯的成功剝離在物理學(xué)界乃至全世界產(chǎn)生了巨大的影響，并引起石墨烯科學(xué)研究的高潮，即使直到現(xiàn)在，世界各國對石墨烯研究的關(guān)注度也從未減少。

一、 簡單介紹石墨烯的結(jié)構(gòu)

單從字面就可以看出石墨烯和石墨必然存在密不可分的聯(lián)系，作為晶體材料的石墨烯是有許多蜂窩狀、排列整齊的單層碳原子組成，晶格內(nèi)的3個σ鍵是連接不同碳原子的關(guān)鍵所在。碳原子內(nèi)的π電子可以相互作用并在特定區(qū)域內(nèi)自由活動，這決定了石墨烯必然會具有較強的導(dǎo)電性。

然而，單純從熱力學(xué)角度而言，二維晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，不管其以何種形態(tài)存在，其表面都會有一些細(xì)微的褶皺，極不平整，但也正是因為這種特性，才能讓其產(chǎn)生靜電，從而增強對單層Graphene的吸引力和凝聚力。不同石墨烯的表層褶皺程度并不完全相同，進(jìn)而導(dǎo)致其光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)會有一些區(qū)別和差異。世間任何事物都并非十全十美，石墨烯也不例外。雖然石墨烯科研潛力巨大，但是雜原子、空洞等自身存在的缺陷也會讓石墨烯的力學(xué)和導(dǎo)熱性能大打折扣，因此，科研人員大多會用專門的手段和技術(shù)來盡可能地消除這些缺陷，為制作出更高質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)的石墨烯器件提供基本的保障。

二、 簡單介紹石墨烯的物理性質(zhì)

（一） 導(dǎo)電性能

石墨烯是有大量碳原子組成的，而碳原子中存在的未成鍵π電子具有獨立性，石墨烯碳原子中的π電子之間相互作用，并形成可以讓電子自由移動的與平面相垂直的軌道，賦予石墨烯以較強的導(dǎo)電性能。正常條件下，石墨烯電流載體遷移率已經(jīng)超出人們的想象，甚至可以用光速來計算，在最佳理想狀態(tài)下，石墨烯電流載體遷移率也會提高，是硒化鉛等半導(dǎo)體材料所無法比擬的。除此之外，石墨烯還具有許多其他的電學(xué)性質(zhì)，比如電子傳輸性等。

（二） 機械性能

石墨烯研究力量并不均衡，對于石墨烯機械性能的研究主要以石墨烯復(fù)合材料的研究為主。相關(guān)研究表明，添加了石墨烯的聚合物復(fù)合材料的強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于沒有添加石墨烯的聚合物復(fù)合材料。只需要添加極少量的石墨烯，就可以讓復(fù)合材料的強度以及模量提高二分之一甚至一倍。另外，經(jīng)過氧化處理的石墨烯的斷裂強度較高，這也是石墨烯水凝膠研制成功的基礎(chǔ)和前提條件。具有大共軛結(jié)構(gòu)的石墨烯讓許多π電子聚集在一塊兒，加強了石墨烯片的緊密性和連接性，從而讓石墨烯水凝膠的強度大幅度高于其他類型的凝膠。

（三） 透光性能

單層石墨烯的厚度低于0.34 nm，這也是石墨烯具有透光性的主要原因。此外，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，單層石墨烯吸光性較低，甚至可以忽略不計，透光性較高，雙層石墨烯的透光性略微低于單層石墨烯的透光性，于是，石墨烯在透明導(dǎo)電薄膜中的應(yīng)用越來越廣泛。

（四） 導(dǎo)熱性能

常溫狀態(tài)下的單層石墨烯熱導(dǎo)率系數(shù)比高溫狀態(tài)下碳納米管的熱導(dǎo)率系數(shù)還要高，因而，石墨烯并廣泛運用到降溫材料研制中。

三、 石墨烯的應(yīng)用

（一） 石墨烯在電子領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用

具有較強導(dǎo)電性、透光性以及機械性的石墨烯成為當(dāng)前電子產(chǎn)品原件的主要制作材料之一?？蒲腥藛T根據(jù)石墨烯的導(dǎo)電性能，將其應(yīng)用于高頻電路之中，為電子工業(yè)的未來發(fā)展指明新的方向。電子設(shè)備使用頻率與產(chǎn)生的熱量成正相關(guān)性，限制了高頻的提高，石墨烯的出現(xiàn)則打破了高頻提升的限制，拓寬了微電子領(lǐng)域未來發(fā)展以及應(yīng)用空間。

（二） 石墨烯在生物制藥行業(yè)的廣泛使用

石墨烯的特性符合藥物載體的要求，PEG功能化石墨烯的研制成功讓石墨烯具有較強的水溶性，可以在血液等環(huán)境中按照預(yù)定設(shè)想發(fā)揮作用。

（三） 石墨烯在光電領(lǐng)域中的運用

石墨烯和優(yōu)質(zhì)非線性光學(xué)材料的特性具有較強的一致性，被認(rèn)為是當(dāng)前時期發(fā)展?jié)摿薮蟮腇ET等光電器件的材料。

四、 小結(jié)

加強石墨烯科學(xué)研究力度，深入挖掘石墨烯的應(yīng)用價值，加快石墨烯的科研和推廣使用的速度，助推醫(yī)學(xué)制藥、電子產(chǎn)品制造、光電功能材料等多個行業(yè)的快速發(fā)展。

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作者簡介：

趙炳睿，山東省濰坊市，濰坊中學(xué)高三2016級20班。