石墨烯(Graphene)是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。

1.什么是石墨烯材料

 

1.什么是石墨烯材料

(来源于网络)

 

石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。石墨烯(graphene)是一种二维碳材料,是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在。石墨烯是从石墨材料中剥离出来,是由单层碳原子经电子轨道杂化后形成的蜂巢状二维晶体,厚度仅0.335nm。既是现今最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它也有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。

 

2.石墨烯材料的优缺点

 

2.石墨烯材料的优缺点

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1、石墨烯具有极高的载流子迁移率和热导率,迁移率是传统硅基材料的几十甚至几百倍。载流子迁移率对于微电子器件来说是非常重要的参数,如果迁移率过低,将会导致产热严重、响应频率低下等后果。因此,迁移率高、导热好的石墨烯被认为是一种理想的电子器件材料。

 

2、在航天科学领域中,石墨烯可以被当做保护层覆盖在一些元件的表面,用来降低被宇宙射线激发的二次电子。

 

3、石墨烯具有极好的热稳定性和化学稳定性。石墨烯熔点高达3850摄氏度,而且耐强酸、强碱等恶劣环境,具有很好的稳定性。

 

4.石墨制造的方式,经由化学或机械剥离方式分离碳薄层,形成可能产生吸入、暴露的干燥粉末。这些干燥粉末(也可以称为物质碎片)如若被吸入体内,与人体细胞产生接触,那么这些物质碎片很有可能会切开人体细胞并被其吸收,从而危害人体健康。

 

5.加利福尼亚大学的研究团队伯恩斯工程学院在研究中发现:还原不完整的氧化石墨烯纳米粒子,如果找到进入地表或地下水资源的方式,就会对环境产生影响。

 

3.石墨烯材料的应用

 

3.石墨烯材料的应用

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1.石墨烯可以做成化学传感器,这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的,根据部分学者的研究可知,石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。石墨烯是电化学生物传感器的理想材料,石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。

 

2.石墨烯可以用来制作晶体管,由于石墨烯结构的高度稳定性,这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下,目前以硅为材料的晶体管在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性;石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点,又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。

 

3.石墨烯过滤器比其他海水淡化技术要使用的多。水环境中的氧化石墨烯薄膜与水亲密接触后,可形成约0.9纳米宽的通道,小于这一尺寸的离子或分子可以快速通过。通过机械手段进一步压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸,控制孔径大小,能高效过滤海水中的盐份。