诺贝尔物理学奖---石墨烯研究进展.pdf

石墨烯研究进展 马圣乾 裴立振 康英杰 自2004 年安德烈·K ·海姆(Andre Geim)教授 开始碎裂前，它们每 100 纳米距离上可承受的最大 和科斯佳·诺沃谢洛夫(Kostya Novoselov)研究员首 压力居然达到了大约 2.9 微牛。如果用石墨烯制成 次制备出石墨烯以来，石墨烯受到了全世界科学家 包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。半导 的广泛关注。截止到 2009 年 5 月 26 日，关于石墨 体工业有意利用石墨烯晶体管制造微型处理器，进 烯的 SCI 文章达到 2874 篇，仅 2008 年就有 1123 而生产出比现有计算机更快的计算机。加州理工大 篇，发表在 Science 和 Nature 的相关论文就超过了 学教授朱莉娅·格里尔说，压力恰恰是微型处理器制 80 篇；其中在 2008 年，发表在 Science 和 Nature 造过程中遇到的主要阻力之一，而生产晶体管使用 的文章有 30 多篇。毋庸置疑，石墨烯是继纳米碳管、 的材料不仅要有出色的电子特性，“还要能够承受住 富勒烯球后的又一重大发现，石墨是三维（或立体） 生产过程中的压力和反复使用过程中产生的热量”。 的层状结构，石墨晶体中层与层之间相隔 340pm， 她强调，在证实了石墨烯的强度之后，可以相信石 距离较大，是以范德华力结合起来的，即层与层之 墨烯能够承受住这种压力。 间属于分子晶体。但是，由于同一平面层上的碳原 子间结合很强，极难破坏，所以石墨的溶点也很高， 化学性质也稳定，其中一层就是石墨烯。石墨烯是 由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构，它可以 包裹起来形成零维的富勒烯（Fullerene ，又译作福 乐烯），又名巴基球或巴克球（Buckyball ，其他名 称还有球碳与芙，是继金刚石和石墨之后于1985 年 发现的碳元素的第三种晶体形态。卷起来形成一维 的纳米碳管(Carbon Nanotube 是具有石墨结构、并 按一定规则卷曲形成纳米级管状结构的孔材料) ，层 层堆积形成三维的石墨（如图 1）。纯净的石墨烯是 一种只有一个原子厚的结晶体，具有超薄、超坚固 和超强导电性能等特性，石墨烯具有优异的电学、 热学和力学性能，可望在高性能纳电子器件、复合 材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域 图 1 （a ）石墨烯、（b ）富勒烯、（c ）纳米碳管和（d ）石墨 获得广泛应用。科学界认为石墨烯极有可能取代硅 而成为未来的半导体材料，具有非常广阔的应用前 热学性质 石墨烯是一种稳定材料. 在发现石 景。 墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允 石墨烯的特点 许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发 力学性质 石墨烯中各碳原子之间的连接非 现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都 常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变 认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在, 形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就 但是单层石墨烯在实验中被制备出来，这归结于石 保持了结构稳定。美国哥伦比亚大学的一支物理学 墨烯在纳米级别上的微观扭曲。石墨烯是由碳原子 研究小组经过大量的试验，发现石墨烯是现在世界 按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳 上已知的最为牢固的材料，并对石墨烯的机械特性 定。迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子 进行了全面的研究。他们选取 10 ~ 20 微米的石墨烯 缺失的情况，即六边形晶格中的碳原子全都没有丢 微粒作为研究对象。试验发现，在石墨烯样品微粒 失或发生移位。各个碳原子间的连接非常柔韧，当 · 44 ·