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石墨烯研究的最新进展及各种应用可行性分析

正德N网  2020-10-17 15:44:35

  近年来,石墨烯(第一种二维原子晶体)研究取得了许多突破,石墨烯的大量制备也取得了显著的进展。这种一个原子厚度的碳材料集超高的机械强度、电导率、热导率和抗渗性等诸多优异性能于一身,这使得其在许多领域中都有诱人的应用前景。因在石墨烯材料方面的卓越研究荣获2010年诺贝尔物理学奖的K.S.Novoselov等应邀撰写了一篇有关石墨烯最新进展的Review,该综述以“A roadmap for graphene”为题发表在2012年10月11日出版的Nature期刊上。这篇Review回顾了石墨烯研究的最新进展,综述了制备方法的发展,同时批判地分析了石墨烯的各种应用的可行性。下面让我们来一睹为快吧!

▲2010年诺贝尔物理学奖得主之一K.S.Novoselov

  1、前言

  石墨烯能成为下一代颠覆性技术,替代目前使用的一些材料、开创新市场吗?它是否足够多功能从而使我们生活的方方面面发生突破性变革吗?从石墨烯的性质来看,它的确有这个潜力。石墨烯是科学家制备的第一种二维原子晶体。它的许多参数——如刚度、强度、弹性、电导率、热导率等等——都是无与伦比的。这些性质表明石墨烯能够替代许多其他材料。然而,这么多优异的特性集中于这一种材料上意味着石墨烯将可能导致变革性的技术。石墨烯的透明性、导电性和弹性使其可应用于柔性电子器件,而透明性、抗渗性和导电性使其可应用于透明保护膜和隔膜;这种性质的组合应用正越来越多。然而,新技术的应用通常是一个时间长、代价高的过程,石墨烯的性质是否足够特殊,足够通用,以能够改变现状从而转向更为便捷的新技术呢?

▲综述导览图

  2、石墨烯性质

  石墨烯发展得如此迅速的其中一个原因在于研究人员能够在实验室通过相对简单而低成本的方法获得高质量的石墨烯。石墨烯许多实验测出的性能都超出了其他材料,而且有些性能甚至达到了理论预测极限。如:室温电子迁移率为2.5ⅹ105cm2V-1s-1(理论值为2ⅹ105cm2V-1s-1);杨氏模量为1TPa,固有强度为130GPa(十分接近于理论值);很高的热导率(高于3000WMK-1);光学吸收率为πα≈2.3%(α为常数);不透气,能保持极高的电流(比铜高出许多倍)。石墨烯可以带上功能化官能团是它的另一个特性。

  石墨烯因其具有许多优异的性能而获得了“奇迹材料”的称号。然而,这些优异的性能都是建立在高质量样品的基础上(机械剥离石墨烯),并且石墨烯需要存放在特制的基材上,如六方氮化硼。至今为止,还没有使用其他制备方式的石墨烯能得到同样的性能,所以此方法正在快速的发展。如果产业化的石墨烯的性能能与实验室中制备出的石墨烯具有同样优异的性能,那么在工业应用上将会有很大的前景。

  自然中有许多二维晶体,比如氮化硼和二硫化钼,与石墨烯具有相同的结构,但是它们具有各自特有的性能。这些二维晶体为得到更好性能的材料和设备提供了可能,或者可以与石墨烯结合起来使用(例如二维异质结构材料)。尽管这篇综述没有涵盖所有的二维晶体材料,但作为二维晶体材料和异质结构的一部分,石墨烯仍有很大的商业价值。

  3、制备难题

  生产具有特殊用途的石墨烯是石墨烯应用市场的关键,并且这种情况将会持续十年或者直到石墨烯的性能都能满足石墨烯的潜在应用。现在已经发展了很多制备多维度、各种形状和高质量石墨烯的方法。这里只关注可用于大规模生产的制备方法。

  根据石墨烯的性能将石墨烯分为以下几类:(1)用于复合材料、导电涂料等的石墨烯或者还原氧化石墨烯薄片;(2)用于低活性和稳定设备的平面石墨烯;(3)用于高性能电子器件的平面石墨烯。不同种类的石墨烯的性能十分依赖于材料的质量,比如说缺陷、基材等等,并且受加工方法的影响很大。(见图1和表1)

▲图1 宏量制备石墨烯的不同方法的性价比


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