石墨烯热电

近年来,我们经常听到石墨烯这个名词,也经常在各种媒体上看到各种研究进展的公布,听到关于它如何改变我们生活的报道。那么,石墨烯是什么,真的有这么厉害吗?它在科学界是如何发挥作用的,现在能商用吗?那我们就来认识一下科学之星——石墨烯。

什么是石墨烯?

我们都知道碳是什么。碳是一种非金属元素,位于周期表的第二周期族IVA。拉丁语是Carbonium,意思是“煤,木炭”。碳是一种非常常见的元素,以各种形式广泛存在于大气、地壳和生物体内。可能你知道石墨是什么,石墨烯不知道。事实上,石墨烯是由碳构成的,只是结构与普通碳不同。就像大家熟知的钻石,其实也是碳的一种,只是碳原子的空之间的结构不同。

石墨烯热电插图

钻石中碳原子结构金刚石中的碳原子结构

石墨烯是从石墨中分离出来的,石墨是一种二维的碳纳米材料,只有一个原子层。各层中的碳原子通过共价键连接,呈现蜂窝状晶格结构。石墨是一种常见的矿物,由许多层碳原子组成,具有层状结构。这些层可以相互剥离。所以石墨可以用来做铅笔,书写时会留下书写痕迹。石墨对我们来说是一种非常普通的物质。石墨烯是纳米尺寸的单层二维结构。

石墨烯的结构如下图所示,碳原子以六元环的形式排列在同一平面内。碳原子以δ键的形式相互连接,每个碳原子会形成三个δ键,从而使石墨烯具有良好的力学性能。碳原子周围剩余的价电子会形成垂直于碳平面的共轭大π键,因此电子可以在石墨烯平面之间自由移动,这也保证了石墨烯具有优异的导电性。石墨烯中的长程共轭π键使其具有良好的热力学性能、力学性能和导电性。

2004年,《科学》杂志首次报道了曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功分离出稳定的石墨烯,并讨论了石墨烯材料的基本性质。长期以来,人们一直认为单原子层的二维物质是不稳定的,因此在自然界是无法获得的。直到2004年,Novoselov等人用非常简单的胶带剥离法将石墨剥离成单层石墨烯,开启了石墨烯等二维纳米材料的新时代。他们对石墨烯的研究获得了2010年诺贝尔物理学奖,在国际上引起了轰动,推动了石墨烯材料的研究,促进了石墨烯在物理、化学、材料、生物医学、环境等方面的研究。石墨烯商业化的新产品也层出不穷。很多政府都把石墨烯材料作为国家重点发展对象,对石墨烯材料的投资越来越多。近年来,关于石墨烯的研究报道呈指数级增长,许多疑问和困惑也随之出现。

石墨烯有何优异的性能

1.传导性

石墨烯的结构非常稳定,到目前为止,研究人员还没有发现石墨烯中缺少任何碳原子。石墨烯中碳原子之间的连接非常灵活。当施加机械外力时,碳原子表面弯曲变形,使碳原子不必重新排列以适应外力,从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使得碳原子具有优异的导电性。石墨烯中的电子在轨道上运动时,不会因为晶格缺陷或者外来源的引入而发生散射。因为原子间作用力很强,所以即使周围的碳原子在室温下发生碰撞,石墨烯中电子的干扰也很小。石墨烯最大的特点是电子在其中的速度达到光速的1/300,远远超过一般导体中电子的速度。这使得石墨烯中电子的性质,或者更准确地说,载流子的性质,与相对论中微子的性质非常相似。

2.机械特性

石墨烯是人类已知的最强的物质,比钻石还硬,比世界上最好的钢还要强100倍。而且可以弯曲。石墨烯的理论杨氏模量达到1.0TPa,固有拉伸强度为130GPa。氢等离子体改性的还原石墨烯也具有非常好的强度,平均模量可达0.25TPa,但其断裂强度未见报道。此外,目前人们已经组装了一种类似纸的材料。该材料的平均弹性模量和最大断裂强度分别达到32GPa和120 MPa。

3.热特性

石墨烯具有非常好的导热性。纯无缺陷单层石墨烯的热导率高达5300W/mK,是迄今为止碳材料的最高热导率,高于单壁碳纳米管(3500 W/mK)和多壁碳纳米管(3000 W/mK)。当用作载体时,其导热系数也可达到600 W/MK。

石墨烯由于能够将电子产品运行中产生的大量热量快速扩散到空气体中,从而获得更好的工作性能和稳定性,因此在电子设备的散热应用中具有非常广阔的前景。石墨烯因其较高的热电转换效率和独特的物理化学性质吸引了众多科学家的关注。最近的研究发现,石墨烯被认为是一种理想的加热元件,因为它的透明性、柔性、快速加热和石墨烯片上的温度均匀性。

现在很多智能旗舰手机都用石墨烯贴片给手机降温,从而充分发挥性能。

石墨烯的工业应用领域

代替硅的半导体芯片的生产

目前,晶体管是由昂贵的硅制成的,用于电子设备时会产生热量。运行速度越快,电子的高速碰撞越剧烈,产生的热量也越多,这也是限制电子产品运行速度的重要因素。由于室温下的量子自旋霍尔效应,电子穿过石墨烯时没有任何阻力,产生的热量很少。而且石墨烯本身具有很高的导热性,产生的热量会很快消散。因此,石墨烯电子产品比硅具有更高的运行速度。石墨烯还可以用来制备射频晶体管。目前射频晶体管主要使用半导体材料硅或者更贵的磷化铟。在同样的工作电压下,电子在石墨烯中的速度是磷化铟中的10倍,硅中的100倍。

研究人员还证明了在石墨烯中掺杂一定数量的多电子分子可以改变石墨烯的电化学特性,并在此基础上制备了N型晶体管,这是向石墨烯基电路迈出的关键一步。据估计,石墨烯芯片处理器的频率有望达到1 THz以上。虽然对石墨烯的研究还处于基础研究阶段,但由于其优异的性能以及作为制备石墨烯原料的低成本石墨,用石墨烯代替硅制造电子产品的应用前景十分广阔。

柔性显示器

石墨烯具有良好的导电性、透明性、柔韧性和良好的机械强度,在柔性显示领域具有广阔的应用前景。与ITO相比,石墨烯具有更好的柔韧性和透光性。这种超柔性石墨烯层使许多产品成为可能,包括可折叠电子产品、柔性触摸屏和可穿戴设备。

锂离子电池

常规锂电池的非碳基负极材料主要包括锡基、硅基等过渡金属材料。锂电池过程中,由于充放电过程中的热胀冷缩和应力变化,负极材料容易脱落和开裂,导致循环性能显著下降。添加石墨烯改性复合材料,既能提高材料的稳定性、导电性和储锂能力,又能延长其使用寿命,符合电池行业的发展理念。同时,由于其优异的导电性和机械性能,石墨烯还可以用作锂电池的正极材料。石墨烯的应用可以改善一些储锂容量高但电导率低的材料的性能,也可以增强正极材料的机械性能,延长其使用寿命。石墨烯还可以作为电极材料的添加剂,增强添加剂的导电性,提高其循环性能和高倍率性能。通过不断的实验和研究,石墨烯可以逐步取代石墨、乙炔黑等常规电池添加剂。

石墨烯对现代工业影响很大,不仅涉及工业,还涉及军事。自2004年被发现以来,石墨烯以其独特的力学、光学、电学等物理化学性质吸引了世界上众多科学家的关注。正是由于石墨烯在材料领域的迅速崛起,一些结构相似的二维纳米材料(如氮化硼、二硫化钼、黑磷)也蓬勃发展起来,整个二维纳米材料家族引起了全世界科学家的关注。目前,虽然关于石墨烯制备方法的报道很多,但由于各种制备方法的局限性,限制了石墨烯的应用研究和产业发展。如何找到一种低成本的方法大规模生产高质量的石墨烯,仍然是石墨烯研究的重点。此外,加快石墨烯的功能化和复合材料的研究也可以拓宽其应用领域。随着科学家研究的深入,石墨烯及其复合材料将在新能源材料、生物医学、水净化、纳米电子器件等领域具有广阔的应用前景。

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