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【权威研究报告】石墨烯,是否真的“未来已来”?
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【权威研究报告】石墨烯,是否真的“未来已来”?

  • 分类:行业新闻
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  • 来源:
  • 发布时间:2021-08-05 14:31

【权威研究报告】石墨烯,是否真的“未来已来”?

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  自2004年石墨烯被发现以来,已经过去了17个年头。多年来石墨烯一直是科研界的热点,在石墨烯领域发表的科研文章数量一直居高不下。但是直到现在,石墨烯的“神话”似乎依然只存在于科研院所的“象牙塔”中,没有“走进寻常百姓家”,缺少“杀手锏”级别的应用来向世人证明它的实用价值。然而,科学家和企业家没有放弃努力,一直在寻求石墨烯产业化落地以及大规模应用的场景。本期FABIE与大家浅谈石墨烯的故事。

  一、关于石墨烯

  从分子结构上讲,石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积从而形成的六边形蜂窝晶格新材料,属于是碳元素的同元素异形体。石墨烯的分子键只有0.142纳米,晶面间距仅仅为0.335纳米 (图1)。石墨烯是人类世界发现的最薄的物质,它的厚度仅仅只有一个原子那么厚,与面积相比厚度可以忽略不计,也就是说石墨烯是一张近似理想的2维膜,同时它还是世界上已知的最轻的材料和导电性能最佳的电导体。

  从元素构成上讲,石墨烯与钻石虽然外形迥异,但其内在都是碳原子,只是因为碳原子的排列方式不同,从而造就了石墨烯与钻石的不同形态 此外,石墨烯还可以通过范德华力堆叠成3维的石墨,卷曲成0维的碳纳米管,包裹成0维的富勒烯(巴基球)

  石墨烯具有优异的光学、电学、力学等特性 ,其在较宽波长范围内吸收率约为 2.3%,施加磁场之后的石墨烯纳米带的光学响应可调至太赫兹范围;石墨烯材料的电子迁移率达 20000cm2⋅V−1⋅s−1,比铜、银等传统材料的导电性好,是目前是电阻率最小的材料;石墨烯是已知强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,且可以弯曲,石墨烯的理论杨氏模量达 1.0TPa,固有的拉伸强度为130GPa。石墨烯在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域有着广阔而巨大的应用潜能,是主导未来高科技竞争的超级材料,被称为“黑金”、“新材料之王”。

  根据石墨烯的宏观形态,可以大致分为粉体和薄膜两类。石墨烯粉体是指纳米及微米尺寸的石墨烯片(graphene nanoflake)无序聚集体;石墨烯薄膜是在特定基底表面生长的,或生长形成后被转移到其他基底上的连续石墨烯材料。相比于石墨烯粉体,薄膜的优势是连续性和厚度均一性,也更能表征出石墨烯优越的物理化学性能。大批量、低成本的生产高质量的石墨烯材料是实现石墨烯应用产业化的前提条件。目前,石墨烯的制备可以大致被归纳为两类技术路径 (图5), 一类是自上而下(Top-down)的方法,即从石墨本身获得石墨烯, 一类是自下而上(Bottom-up)的方法,从含碳化合物制备石墨烯。其中,自上而下发包括液相剥离法、氧化还原法、机械剥离法等;自下而上法包括化学气相沉积法(CVD)、SiC 晶体外延生长法等。

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