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石墨烯技术的价值  

2014-02-11 21:37:50|  分类: 精彩研究报告 |  标签: |举报 |字号 订阅

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原文地址:石墨烯技术的价值作者:看方向
 

石墨烯(Graphene)命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)又称单层石墨,石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同,是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。


石墨烯技术的价值

 

石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种,质料非常牢固坚硬,在室状况,传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊,必须用量子场论才能描绘。

    

 [转载]石墨烯技术的价值 [转载]石墨烯技术的价值

法尼亚州立大学刚刚制成了 100mm的纯石墨烯晶圆,IBM的研究人员们就在《科学》杂志上展示了迄今为止频率最高的射频石墨烯晶体管,速度高达100GHz(每秒1000亿次循环),而此前的最好成绩是40GHz。

"石墨稀的一个主要优点就是电子传输速度极快,这对下一代高速度、高效率晶体管的研发来讲,意义非常重大。我们现在获得的这一重要技术突破表明了石墨稀可以用来生产高效能的设备和集成电路。"IBM的一个研究人员表示。

石墨烯拥有独特的物理、化学和结构特性,尤其值得关注的是,电子可在石墨烯结构中以1/300光速的超高速度运行,因此被视为制造下一代芯片的理想材料。使用石墨烯制造的处理器频率有望达到1THz以上,是目前硅芯片的100到1000倍,用来替代多晶硅等太阳能光伏材料也是可预见的。

IBM展示全球最快石墨烯晶体管:

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[转载]石墨烯技术的价值

一.              传感器领域

[转载]石墨烯技术的价值

CCD传感器

石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。这检测目前可以分为直接检测和间接检测。 通过穿透式电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程。通过测量霍尔效应方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时,吸附位置会发生电阻的局域变化。当然,这种效应也会发生于别种物质,但石墨烯具有高电导率和低噪声的优良品质,能够探测这微小的电阻变化。

 

 

 

二.石墨烯纳米带

[转载]石墨烯技术的价值

 

    为了要赋予单层石墨烯某种电性,会按照特定样式切割石墨烯,形成石墨烯纳米带(Graphene nanoribbon)。切开的边缘形状可以分为锯齿形和扶手椅形。采用紧束缚近似模型做出的计算,预测锯齿形具有金属键性质,又预测扶手椅形具有金属键性质或半导体性质;到底是哪种性质,要依宽度而定。可是,近来根据密度泛函理论计算得到的结果,显示出扶手椅形具有半导体性质,其能隙与纳米带带宽成反比。实验结果确实地展示出,随着纳米带带宽减小,能隙会增大。但是,直至2008年2月,尚没有任何测量能隙的实验试着辨识精确边缘结构。

 

三.场效应管及其集成电路

[转载]石墨烯技术的价值

 

    石墨烯纳米带的二维结构具有高电导率、高热导率、低噪声,这些优良品质促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择,有可能替代铜金属。有些研究者试着用石墨烯纳米带来制成量子点,他们在纳米带的某些特定位置改变宽度,形成量子禁闭。

四.              透明导电电极

[转载]石墨烯技术的价值

 

 

石墨烯制触摸屏(graphene touch screen)

视频地址:http://player.youku.com/player.php/sid/XMTk4MDUyMDE2/v.swf

 

 

 

    石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等,都需要良好的透明电导电极材料。特别是,石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良。由于氧化铟锡脆度较高,比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。通过化学气相沉积法,可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜,主要用于光伏器件的阳极,并得到高达1.71%能量转换效率;与用氧化铟锡材料制成的元件相比,大约为其能量转换效率的55.2%。

 

 

五.              场发射源及其真空电子器件

[转载]石墨烯技术的价值

图:真空电子开关系列

    早在2002年,垂直于基底表面的石墨烯纳米墙就被成功制备出来。它被看作是非常优良场致发射电子源材料。最近关于单片石墨烯的电场致电子发射效应也见诸报道。

 

 

六.              超级电容器

[转载]石墨烯技术的价值

 

    由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例,石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。

 

七.              石墨烯生物器件

[转载]石墨烯技术的价值

 

由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺吋厚度、分子闸极结构等等特色,应用于细菌探测与诊断器件,石墨烯是个很优良的选择。

 

八.              抗菌物质      

[转载]石墨烯技术的价值

 

图:新型纳米抗菌材料

中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效,而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性,则可能找到一系列新的应用,像自动除去气味的鞋子,或保存食品新鲜的包装。

 

20 世纪被称为硅的世纪,而21 世纪则被认为是炭的世纪——石墨烯

 

石墨烯与目前最热门的新能源材料硅的对比

 

石墨烯

石墨烯特性

石墨烯应用领域

电子迁移率

150000 cm2/Vs

1400 cm2/Vs

导电性能极好,电子在石墨烯中的传输速度比硅快100倍,因而未来的半导体材料是石墨烯而不是硅。

替代硅成为下一代半导体材料、超级计算机芯片。

硬度

110GPa~121GPa

70GPa

石墨烯是目前人类已知的最为牢固的材料,比钻石还要坚硬

勘探采集领域、触摸屏、超坚韧的防弹衣

厚度

0.34纳米

0.3毫米

最薄的物质,使很多微型化产品得以实现

超轻型飞机材料、太空电梯缆线,可弯曲显示屏

透明性

吸收太阳光转化电能高达97%

转化率不超过30%

石墨烯制透明导电膜、有机薄膜太阳能电池

替代晶硅进入太阳能光伏领域,太阳能超级电池。

环保性

无污染

生产硅材料需要在气化的硅中提取硅元素,硅的沸腾点高达2800度,在生产硅材料环节需要消耗大量的能源

随着生产技术的不断创新,目前已有多种环保型生产方法。

 

原料

石墨

石英

目前我国石墨探明储量20亿吨,占世界45%储量

 

技术

与国外生产技术同步

国内生产技术仍然落后德,日,美等发达国家,很多硅材料仍然需要进口

中国宝安旗下子公司已完成石墨烯小试,目前正在进行中试,并申请国家专利

 

结论:石墨烯在多个领域都有可发挥的空间,尤其在电子工业和新能源领域都具有不可比拟的优点,石墨烯是21世纪最具颠覆性的新型材料,将带给世界极大的变化。

 

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