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    關于石墨烯的材料特性有哪些

    2020-06-05 16:45來源:未知瀏覽:

      電子運輸

      石墨烯在發現石墨烯以前,大多數(如果不是所有的話)物理學家認為,熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以,它的發現立即震撼了凝聚態物理界。雖然理論和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩定存在,但是單層石墨烯在實驗中被制備出來。這些可能歸結于石墨烯在納米級別上的微觀扭曲。

      石墨烯還表現出了異常的整數量子霍爾行為。其霍爾電導=2e²/h,6e²/h,10e²/h.... 為量子電導的奇數倍,且可以在室溫下觀測到。這個行為已被科學家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對論量子力學,沒有靜質量”。

      導電導熱特性

      石墨烯結構非常穩定,研究者仍未發現石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌,當施加外部機械力時,碳原子面就彎曲變形,從而使碳原子不必重新排列來適應外力,也就保持了結構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時,不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強,在常溫下,即使周圍碳原子發生擠撞,石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

      石墨烯最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300,遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子,或更準確地,應稱為“載荷子”(electric charge carrier),的性質和相對論性的中微子非常相似。

      石墨烯有相當的不透明度:可以吸收大約2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對論性的體現。

      加州大學河濱分校(UCRiverside)的Alexlander Balandin教授及其研究小組成員應用拉曼光譜偏移測量手段,測得懸空的單層石墨烯在室溫下可擁有 4840 W/mK 的高熱導率。石墨烯的高熱導率特性也進一步支持石墨烯作為新電子器件材料的應用前景。

      機械特性

      石墨烯是人類已知強度最高的物質,比鉆石還堅硬,強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學的物理學家對石墨烯的機械特性進行了全面的研究。在試驗過程中,他們選取了一些直徑在10—20微米的石墨烯微粒作為研究對象。研究人員先是把這些石墨烯樣品放在了一個表面被鉆有小孔的晶體薄板上,這些孔的直徑在1—1.5微米之間。之后,他們用金剛石制成的探針對這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力,以測試它們的承受能力。

      研究人員發現,在石墨烯樣品微粒開始碎裂前,它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2.9微牛。據科學家們測算,這一結果相當于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長的石墨烯斷裂。如果物理學家們能制取出厚度相當于普通食品塑料包裝袋的(厚度約100納米)石墨烯,那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。換句話說,如果用石墨烯制成包裝袋,那么它會能承受大約兩噸重的物品。

      電子的相互作用

      利用世界上最強大的人造輻射源,美國加州大學、哥倫比亞大學和勞倫斯·伯克利國家實驗室的物理學家發現了石墨烯特性新秘密:石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強烈的相互作用。

      科學家借助了美國勞倫斯伯克利國家實驗室的“先進光源(ALS)”電子同步加速器。這個加速器產生的光輻射亮度相當于醫學上X射線強度的1億倍??茖W家利用這一強光源觀測發現,石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強烈,而且電子和電子之間也有很強的相互作用。

      化學性質

      關于石墨烯化學知道的是:類似石墨表面,石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子。從表面化學的角度來看,石墨烯的性質類似于石墨,可利用石墨來推測石墨烯的性質。石墨烯化學可能有許多潛在的應用,然而要石墨烯的化學性質得到廣泛關注有一個不得不克服的障礙:缺乏適用于傳統化學方法的樣品。這一點未得到解決,研究石墨烯化學會面臨重重困難。

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