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SPG石墨烯專用噴霧干燥機(jī)
石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來,、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體,。石墨烯狹義上指單層石墨,厚度為0.335nm,,僅有一層碳原子,。但實(shí)際上,,10層以內(nèi)的石墨結(jié)構(gòu)也可稱作石墨烯,而10層以上的則被稱為石墨薄膜,。單層石墨烯是指只有一個(gè)碳原子層厚度的石墨,,碳原子-碳原子之間依靠共價(jià)鍵相連接而形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。**的石墨烯具有理想的二維晶體結(jié)構(gòu),,由六邊形晶格組成,,理論比表面積高達(dá)2.6×102 m2 /g。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能(3×103W/(m?K))和力學(xué)性能(1.06×103 GPa),。此外,,石墨烯穩(wěn)定的正六邊形晶格結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的導(dǎo)電性,室溫下的電子遷移率高達(dá)1.5×104 cm2 / (V·s),。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu),、突出的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和力學(xué)性能,目前成為材料科學(xué)研究熱點(diǎn),。
石墨烯結(jié)構(gòu)圖
石墨烯指僅有一個(gè)原子尺度厚單層石墨層片,,由 sp2 雜化的碳原子緊密排列而成的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)。 石墨烯中碳 -碳鍵長約為 0.142nm,。每個(gè)晶格內(nèi)有三個(gè)σ鍵,,連接十分牢固形成了穩(wěn)定的六邊狀。垂直于晶面方向上的π鍵在石墨烯導(dǎo)電的過程中起到了很大的作用,。石墨烯是石墨,、碳納米管、富勒烯的基本組成單元,,可以將它看做一個(gè)無限大的芳香族分子,,平面多環(huán)烴的極限情況就是石墨烯。
形象來說,,石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu),,看上去就像一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。在單層石墨烯中,,每個(gè)碳原子通過 sp2 雜化與周圍碳原子成鍵給構(gòu)整流變形,,每一個(gè)六邊單元實(shí)際上類似苯環(huán),碳原子都貢獻(xiàn)出個(gè)一個(gè)未成鍵電子,。單層石墨烯厚度僅0.35nm ,,約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。
石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,,碳原子之間連接及其柔韌,。受到外力時(shí),碳原子面會(huì)發(fā)生彎曲變形,使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力,,從而保證了自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,。
石墨烯是有限結(jié)構(gòu),能夠以納米級(jí)條帶形式存在,。納米條帶中電荷橫向移動(dòng)時(shí)會(huì)在中性點(diǎn)附近產(chǎn)生一個(gè)能量勢(shì)壘,,勢(shì)壘隨條帶寬度的減小而增大。因此,,通過控制石墨烯條帶的寬度便可以進(jìn)一步得到需要的勢(shì)壘,。這一特性是開發(fā)以石墨烯為基礎(chǔ)的電子器件的基礎(chǔ)。
石墨烯能帶結(jié)構(gòu)圖
石墨烯是一種超輕材料,,面密度為0.77mg/m2,的主要性能是: 一是具有超強(qiáng)的導(dǎo)電性,。石墨烯的電子遷移率比納米碳管或硅晶體高,,是硅的100倍,在室溫下可以達(dá)到15 000cm2 /( V·s) ,。電阻率比鋁,、銅和銀低很多,只有10 ~ 6Ω·cm 左右,。二是具有超強(qiáng)的導(dǎo)熱性,。石墨烯的導(dǎo)熱性能優(yōu)于碳納米管,是銅,、鋁等金屬的數(shù)10倍,,導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m?K。三是具有超強(qiáng)的力學(xué)性,,石墨烯的硬度超過金剛石,,斷裂強(qiáng)度達(dá)到鋼鐵的100倍。四是具有超強(qiáng)的透光性,。石墨烯的吸光率非常小,,透光率高達(dá)97. 7%。五是具有超強(qiáng)的比表面積,。石墨烯的比表面積每克比普通活性炭高出1130m2,,達(dá)到2630m2 /g。
石墨烯的光學(xué)性能
石墨烯是已知的世上*薄,、*堅(jiān)硬的納米材料,,它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,,具有優(yōu)異的光學(xué)性能,。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,單層石墨烯吸收2.3%的可見光,即透過率為97.7%,。從基底到單層石墨烯,、雙層石墨烯的可見光透射率依次相差2.3%,因此可以根據(jù)石墨烯薄膜的可見光透射率來估算其層數(shù),。結(jié)合非交互狄拉克-費(fèi)米子理論,,模擬石墨烯的透射率,可以得出與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符的結(jié)果,。
根據(jù)折射和干涉原理,,不同層數(shù)的石墨烯在光學(xué)顯微鏡下會(huì)顯示出不同的顏色和對(duì)比度,為石墨烯層數(shù)的辨別提供了方便,。
理論和實(shí)驗(yàn)表明大面積石墨烯薄膜同樣具有優(yōu)異的光學(xué)性能,,且其光學(xué)特性歲石墨烯的厚度發(fā)生變化。石墨烯薄膜是一種典型的透明導(dǎo)電薄膜,,可以取代氧化銦錫(ITO),、摻氟氧化銦(FTO)等傳統(tǒng)薄膜材料,即可克服ITO薄膜的脆性缺點(diǎn),,也可解決銦資源稀缺對(duì)應(yīng)用的限制等諸多問題,。石墨烯透明導(dǎo)電薄膜可作為染料敏化太陽能電池和液晶設(shè)備的窗口層電極。
另外,,當(dāng)入射光的強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí),,石墨烯對(duì)其的吸收會(huì)達(dá)到飽和。這一非線性光學(xué)行為成為飽和吸收,。在近紅外光譜區(qū),,在強(qiáng)光輻照下,由于其寬波段吸收和零帶隙的特點(diǎn),,石墨烯會(huì)慢慢接近飽和吸收,。利用這一性質(zhì),石墨烯可用于超快速光子學(xué),,如光纖激光器等,。
石墨烯的電學(xué)性能
石墨烯的每個(gè)碳原子均為sp2雜化,并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道電子形成π鍵,,π電子可以自由移動(dòng),,賦予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性。由于原子間作用力非常強(qiáng),,在常溫下,,即使周圍碳原子發(fā)生碰撞,石墨烯中的電子收到的干擾也很小,。電子在石墨烯中傳輸時(shí)不易發(fā)生散射,,傳輸效率1.5×105cm2/( V·s),,約為硅中電子遷移率的140倍。其電導(dǎo)率可達(dá)106s/m,,而電阻率只約10-6Ω·cm,,比銅或銀更低,為世上電阻率*小的材料,。因其電阻率極低,,電子遷移的速度極快,因此被期待可用來發(fā)展更薄,、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管,。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體,,也適合用來制造透明觸控屏幕,、光板、甚至是太陽能電池,。
石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾,。人們發(fā)現(xiàn),石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能,,超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性,它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命,。在石墨烯中,,電子能夠極為高效地遷移,而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體,,例如硅和銅遠(yuǎn)沒有石墨烯表現(xiàn)得好,。由于電子和原子的碰撞,傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量,,2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)72%-81%的電能,,石墨烯則不同,它的電子能量不會(huì)被損耗,,這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性,。
石墨烯的力學(xué)性能
石墨烯是一直材料中強(qiáng)度和硬度* 高的晶體結(jié)構(gòu)。其抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa,。石墨烯的強(qiáng)度極限為42N/m2,。理想石墨烯的強(qiáng)度約為普通鋼的100倍,面積為1m2的石墨烯層片可承受4kg的質(zhì)量,。石墨烯可作為一種典型的二維增強(qiáng)材料,,在復(fù)合材料領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
石墨烯的熱學(xué)性能
石墨烯的強(qiáng)度比金剛石還要硬,,在高溫下,,還能保持其原有的形態(tài),,從這一點(diǎn)就震撼了物理界,主要是因?yàn)槭﹥?nèi)碳原子排列是有規(guī)有律的,,當(dāng)施加外力作用于石墨烯時(shí),,內(nèi)部的碳原子不會(huì)發(fā)生位移,只是發(fā)生了彎曲變形,,就可以抵 制外力,,保證自己的穩(wěn)定性。
石墨烯的室溫?zé)釋?dǎo)率是室溫下銅的熱導(dǎo)率的10倍多,,導(dǎo)熱系數(shù)高5300W/m?K,,高于碳納米管和金剛石。石墨烯的理論比表面積可達(dá)2630m2/g,,用石墨烯支撐的微傳感器可以感應(yīng)單個(gè)原子或分子,,當(dāng)氣體附著或脫離石墨烯表面時(shí),吸附的分子改變了石墨烯的局部載流子濃度,,導(dǎo)致電阻發(fā)生階躍型變化,。這一特性可用于制作氣體傳感器。理論計(jì)算表明,,石墨烯與鋰可形成多孔復(fù)合結(jié)構(gòu),,具有極強(qiáng)的氫氣儲(chǔ)存能力。
石墨烯的磁學(xué)性能
石墨烯氫化以后往往會(huì)具有鐵磁性,,主要是由于石墨烯在氫化以后,,在邊緣處有孤對(duì)電子對(duì),這樣就使得石墨烯有磁性,。研究人員還在有磁場的情況下,,做過通過改變溫度,看能否讓石墨烯的磁性有所變化,。確定磁場強(qiáng)度為1T,,當(dāng)溫度T<90K 時(shí),石墨烯會(huì)表現(xiàn)出順磁特性,;當(dāng)溫度T>90K 時(shí),,石墨烯會(huì)呈現(xiàn)出了反磁特性。
石墨烯的化學(xué)性能
石墨烯的電子性質(zhì)受到了廣泛關(guān)注,,然而石墨烯的化學(xué)性質(zhì)卻一直無人問津,,至今關(guān)于石墨烯化學(xué)性能我們只知道的是:石墨烯可以將周圍的原子和分子進(jìn)行有序的吸附(例如:二氧化氮,氨,,鉀),,這條性質(zhì)和我們所認(rèn)知的活性炭有些相似。二氧化氮,,氨,,鉀往往是被作為給體或受體,,使得石墨烯內(nèi)部的碳原子濃度發(fā)生變化,然而石墨烯本身就是一種導(dǎo)電材料,。其它的吸附物,,如氫離子和氫氧根離子則會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電性很差的衍生物,但這些都不是新的化合物,,只是石墨烯裝飾不同吸附物而已,。由于石墨烯和石墨都是碳的同素異形體,從化學(xué)的角度上來看,,往往它們具有一些相同的性質(zhì),,所以在一些石墨烯不熟悉的領(lǐng)域可以通過石墨來進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),來發(fā)現(xiàn)石墨烯的規(guī)律,,有了這條比較簡單又方便的思想,,在未來,石墨烯更多的化學(xué)性質(zhì)將會(huì)被挖掘出來,。
石墨烯的光學(xué),、電學(xué)、力學(xué)以及熱學(xué)特性示意圖
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