纳米材料001解析.doc

王文祥 研1603班 2160121111 纳米材料 纳米材料是纳米科技的基础，功能纳米材料是纳米材料科学中最富有活力的领域，它对信息、生物、能源、环境、宇航等高科技领域，将产生深远的影响并具有广阔的应用前景。要想了解纳米材料与技术，首先要弄清楚“纳米”是什么。纳米是长度单位，1纳米是1米的十亿分之一，大约相当于1根头发的八万分之一。别看它身材小，但作用很大。因为纳米正好介于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，而且纳米材料还带有“特异功能”，具有奇异的化学物理特性。 例如，有些纳米材料十分结实，强度比普通金属高十几倍，同时弹性又堪比橡胶，人们幻想有一天会使用这样的纳米钢材制造出汽车、飞机或轮船，使它们的重量减少到原来的1/10；而有的纳米材料轻而柔软，又非常强韧，密度是钢的1/6，而强度却是钢的l00倍，做防弹背心再好不过；还有的纳米材料可以吸收太阳光中的光能，直接作为电源使用。 纳米虽然微小，但是它构建的世界却是神奇而宏大的。纳米技术就是利用纳米材料的奇妙性能，制造具有特定功能的零部件和产品的技术。一些权威专家预测，未来纳米技术将在生物医学、航空航天、能源和环境等领域“大显身手”。 现跟踪国内一些机构在纳米材料领域的研究进展，本次主要选择了一个方向：石墨烯。 石墨烯（Graphene）是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子（氢原子）也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。 中文名 石墨烯 杨氏模量 1100Gpa 英文名 graphene 断裂强度 125Gpa 应用 电子、化学研究 导热系数 5000W/(m k) 发现时间 2004年 理论比表面积 2630m2/g 发现人 Geim、Novoselov 可见光透过率 =97% 电子迁移率 150000cm2/(v s) 厚度 一个原子层 石墨烯被很多人认为是硅材料的后继者，因为其电子迁移率可达到硅的十倍以上，并解决了硅材料在制程微缩方面的许多问题；不过石墨烯缺乏制作晶体管所需的能隙，也延迟了相关技术的发展。 制备石墨烯常见的方法 为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法和化学气相沉积法（CVD）。 机械剥离法 是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单，得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构，但是得到的片层小，生产效率低。 氧化还原法 是通过将石墨氧化，增大石墨层之间的间距，再通过物理方法将其分离，最后通过化学法还原，得到石墨烯的方法。这种方法操作简单，产量高，但是产品质量较低。 SiC外延法 是通过在超高真空的高温环境下，使硅原子升华脱离材料，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可以获得高质量的石墨烯，但是这种方法对设备要求较高。 CVD 是目前最有可能实现工业化制备高质量、大面积石墨烯的方法。这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点，但现阶段成本较高，工艺条件还需进一步完善。 石墨烯的主要分类 单层石墨烯 单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。 双层石墨烯 双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 少层石墨烯 少层石墨烯（Few-layer）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB