新能源论坛-石墨烯

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,石墨烯,新材料-新能源论坛,张传祥2010.10,2010,年诺贝尔物理奖简介,碳及炭材料,石墨烯研究进展,体会,提 纲,1,2,3,4,2,2010年炸药奖简介,1,3,The Nobel Prize in Physics 2010 was awarded jointly to Andre Geim and Konstantin Novoselov for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene,THE NOBEL PRIZE IN PHYSICS 2 010,安,德,烈,盖,姆,康斯坦丁诺沃肖罗夫,4,A thin flake of ordinary carbon, just one atom thick, lies behind this years Nobel Prize in Physics. Andre Geim and Konstantin Novoselov have shown that carbon in such a flat form has exceptional properties that originate from the remarkable world of quantum physics.,THE NOBEL PRIZE IN PHYSICS 2 010,INFORMATION FOR THE PUBLIC,5,Graphene is a form of carbon. As a material it is completely new not only the,thinnest,ever but also the,strongest,. As a,conductor,of electricity it performs as well as copper. As a,conductor,of heat it outperforms all other known materials. It is almost completely,transparent, yet so dense that not even helium, the smallest gas atom, can pass through it.,6,论 文,Novoselov et al, Science,306, 666 (2004),7,制 备,In 2008: Auto consumes,60%,of all fuel consumption in China,8,背 景,9,表 征,10,表 征,Novoselov et al, Science,306, 666 (2004),1,m,0, 9,13,SiO,2,Si,Au contacts,GRAPHENE,1,m,11,Graphene: easy to make, hard to find.,5,m,m,pencil, paper and sticky tape,12,碳及炭材料,2,13,碳元素在周期表中的位置,14,15,Forms of bonding in Carbon,sp,2,sp,3,Very flexible bonding: richness of structures,Graphite,Diamond,16,化合物,键解离能/KJ/mol,键间距,/nm,HCCH,363,0.153,HCH,672,0.134,HC,CH,816,0.121,轨道杂化,17,碳的同素异形体,18,Sp,3,Sp,1,Sp,2,聚炔金刚石,超金刚石,卡宾,石墨,金刚石,多环网,石墨烯,玻璃碳,类金刚石,富勒烯,无定形炭,缩合,崩溃,纳米碳管,C,70,P/H=0.5,C,60,P/H=0.6,富勒烯,C,60,P/H=0.6,C,60,P/H=0.6,C,60,P/H=0.6,假设D-G,碳的同素异形体,19,20,21,787 assemblers,22,石墨烯研究进展,3,23,维基百科:Graphene is a one-atom-thick planar sheet of sp2-bonded carbon atoms that are densely packed in a honeycomb crystal lattice. It is the strongest known material. It can be viewed as an atomic-scale chicken wire made of carbon atoms and their bonds. The name comes from GRAPHITE + -ENE; graphite itself consists of many graphene sheets stacked together.”,简而言之:单层sp2杂化的碳原子构成二维蜂窝状物质,定 义,24,25,制备方法,26,加热,SiC,的方法,加热单晶,SiC,脱除,Si,在单晶,(0001),面上分解出石墨烯片层。具体过程是,:,将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热,除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后,将样品加热使之温度升高至,1250 ,1450 ,后恒温,1m in,20m in,从而形成极薄的石墨层。,轻微摩擦法或撕胶带法,用另外一种材料与膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦,体相石墨的表面会产生絮片状的晶体,在这些絮片状的晶体中往往含有单层的石墨烯。,化学分散法,将天然石墨絮片在二氯苯溶液中超声处理约,5m in,然后取一滴溶液滴在表面附着厚度为,200 nm,的氧化膜的硅晶片上。最后,用异丙醇洗涤硅晶片,并在氮气中晾干,这样分散得到的石墨片层的厚度范围在几百纳米到几纳米之间,可以看到由单层石墨烯片层形成的几纳米厚的膜,模板法,在蒙脱土的层间形成了石墨烯片层,一旦脱除模板,这些片层就会自组装形成体相石墨,制备方法,27,a.,薄,定义里提到了，单层原子厚度。,(How many,graphene,sheets are in a 2mm thick slab of graphite? 6 million),特 性,28,b.,硬、柔,使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。让科学家震惊的是，石墨烯比,钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上,100,倍。,美国机械工程师杰弗雷,基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。,特 性,29,c.,快,常温下具有极快的电子传输速率,. (,比曾经最快的半导体材料砷化镓快,30,倍,比硅快,100,倍,因此可以说是目前最快的半导体,),特 性,30,石墨烯结构非常稳定,，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。,这种稳定的晶格结构使碳原子具有,优秀的导电性,。,石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。,特 性,31,1929,年, 针对二维Dirac方程, O. Klein提出隧穿效应: O. Klein, Z Phys., 53, 157, 1929,2006,年,Katsnelson, Geim, 和Novoselov 提出可以用石墨烯来检验Klein隧穿效应: M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, Nature Physics, 2, 620, 2006,2009,年,得到证实: A. F. Young & P. Kim, Nature Physics, 5, 222, 2009,用石墨烯测量分数量子Hall效应, 精细结构常数,等: R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres, and A. K. Geim, Science, 320, 1308,2008,最新研究进展,32,据科学家称，尽管石墨在大自然中非常普遍，并且石墨烯是人类已知强度最高的物质，但科学家可能仍然需要花费数年甚至几十年时间，才能找到一种将石墨转变成大片高质量石墨烯“薄膜”的方法，从而可以用它们来为人类制造各种有用的物质。,2008年8月，美国科学家证实，石墨烯是目前已知世界上强度最高的材料,最新研究进展,33,自然纳米技术：科学家发现可大量生产石墨烯的新方法,美国加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的Yang Yang和同事，将氧化石墨纸置于纯肼溶液中，这种溶液将氧化石墨纸压缩成了单层石墨烯。这是首次报道使用肼作为溶剂，生产出的石墨烯是比之前更为有效的电导体。,研究人员还可以通过改变肼溶液的浓度和成分来控制石墨烯薄层的面积。同时，这种方法也能保存薄层的完整性，产生了迄今已知最大的石墨烯薄层20微米40微米。,相关论文11月9日在线发表于自然纳米技术（,Nature Nanotechnology,）,最新研究进展,34,（图片来源：Vincent Tung, Matthew Allen, Adam Stieg）,35,自然：大规模生产低成本石墨烯已成可能,由韩国成均馆大学和三星先进技术研究院的研究人员制备出的这种最新石墨烯薄膜有1厘米厚，透光率达80%；在弯曲或延展过程中，它不仅不会断裂，其电学特性也不会有任何改变。,韩国研究人员使用了一种名为化学气相沉积的方法。首先，他们在硅衬底上添加一层300纳米厚的镍。然后，他们在1000摄氏度的甲烷中加热这一物质，再将它迅速降至室内温度。这一过程能够在镍层的上部沉积出6或10层石墨烯。用制作镍层图形的方式，研究人员能够制备出图形化的石墨烯薄膜,。,最新研究进展,36,图为韩国科学家最新制备出的石墨烯薄膜。这一工作使得大规模生产低成本的柔性石墨烯电子产品成为可能,37,IBM 研制出原子尺寸的双层石墨烯晶体管,据科技日报2008 年4 月17 日报道, 美国IBM 公,司T J 沃森研究中心的科学家, 最近攻克了在利用石,墨构建纳米电路方面最令人困扰的难题, 即通过将两,层石墨烯片叠加, 可以将元器件的电噪声降低10 倍,由此可以大幅改善晶体管的性能, 这将有助于制造出,比硅晶体管速度快、体积小、能耗低的石墨烯晶体,管。有关研究结果发表在最新一期的纳米通讯,上。,最新研究进展,38,纸片般薄的超轻型飞机材料,超坚韧的防弹衣,“太空电梯”缆线,代替硅生产超级计算机,超导材料,显微滤网,令人神往的发展前景,Dream world,39,体 会,4,40,科学精神 A serious game,“Making people laugh first and think second”,In 1997, a frog levitate in a magnetic field,Ig nobel prize in 2000,41,理论到实验的历程,2010年的物理学诺奖给K. S. Novoselov, A. K. Geim. 在文告中给出了如下信息.,从1947年石墨烯概念的提出, 到2004年成功制作成石墨烯的科学研究工作. 这是一个历时近57年的过程.,而在1962-2000年的有关研究都给出: 不能制作成石墨烯的“结论”.,但是，K. S. Novoselov, A. K. Geim等人, 用1999年就被提出的方法，在提出者没有做成功的背景下, 在2004年得到稳定的石墨烯片。,这项成果使得 1929年就被提出的、在物理学上有重大理论价值的、有关Klein隧穿效应（二维Dirac方程）提供了检验（实验测量）的必要器件（2009年)。以及, 测量分数量子Hall效应, 精细结构常数, 等的方法. 这就为: 对近70年时间跨度的有关理论研究提供了实验研究的直接推动力.,怀疑精神,42,怀疑精神,主线: 理论到实验的历程,1947年, 提出石墨烯的概念, 理论探讨(电子结构和线性频散关系):,P. R. Wallace, The band theory of graphite, Phys. Rev. 71, 622-634,1947）,1956年, 建立石墨烯的激发态的波动方程:,J. W. McClure, Diamagnetism of Graphite, Physical Review, 104, 666-671, 1956,1984年, 该方程与Dirac方程的相似性被发现:,G. W. Semenoff, Condensed-matter simulation of a three-dimensional anomaly, Physical Review Letters 53, 2449-2453, 1984;,以及, D. P. DiVincenzo & E. J. Mele, Self-consistent effective-mass theory for intralayer screening in graphite intercalation compounds, Physical Review B, 29, 1685-1694, 1984,1999 年, 提出实验方法, 但是没有做成功:,X. K. Lu, M. F. Yu, H. Huang, and R. S. Ruoff, Tailoring Graphite with the Goal of Achieving Single Sheets, Nanotechnology, 10, 269-272, 1999,43,主线: 理论到实验的历程,2004年, 用该方法, 得到稳定的石墨烯片:,K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films , Science 306, 666-669, 2004;,随后的一系列实验进一步证实及扩充有关的研究成果:,K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, and A. A. Firsov, Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in grapheme, Nature, 438, 197-200, 2005,Y. B. Zhang, Y. W. Tan, H. L. Stormer, and P. Kim, Experimental observation of the quantum Hall effect and Berrys phase in graphene, Nature, 438, 201-204, 2005,K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, and A. K. Geim, Two-dimensional atomic crystals, Proceedings of the national academy of sciences of united states of America, 102, 10451-10453, 2005,I. I. Barbolina, K. S. Novoselov, S. V. Morozov, S. V. Dubonos, M. Missous, A. O. Volkov, D. A. Christian, I. V. Grigorieva, and A. K. Geim, Submicron sensors of local electric field with single-electron resolution at room temperature, Applied physics letters, 88, 013901, 2006,E. W. Hill, A. K. Geim, K. Novoselov, F. Schedin, and P. Blake, Graphene spin valve devices, IEEE Transactions on magnetics, 42, 2694-2696, 2006,2005年后, 有关研究爆炸性增长.,怀疑精神,44,问Geim为什么当时会想到去发现石墨烯？,Geim说，首先我们有设备，可以研究小样品，其次我有一点低维系统方面的知识，我博士后的研究工作就是涉及低维系统的。第三个原因我戏称是我的科研恶习，那一段时间里，我关注碳纳米管那一拨人，恶心他们时不时地声称获得这样或那样牛的工作。我想我可以做一点不同于碳纳米管的东西，暗想为什么不把碳纳米管剖开呢？,不做Research，做Search,45,46,PRL：日研究称存在第三种碳元素结晶,日本东北大学金属材料研究所川添良幸教授领导的研究小组日前通过电脑模拟证明除钻石和黑铅以外，还存在第三种碳元素结晶。据称该结晶具有导电性，将来有望只利用碳元素制作集成电路。美国物理学会期刊物理评论快报（,Physical Review Letters,）网站发表了这一研究成果。虽然从数学方法能够证明除了钻石和黑铅这2种结晶以外还存在另一种形式的结晶结构，但是这种结晶是否实际存在一直是个谜。研究小组是利用原子间的距离等实际的碳原子数据来进行计算的，得到的预测结果是在特定条件下可以稳定地存在。据计算，这种结晶的坚固程度介于钻石和黑铅之间，具有导电性等金属特性。此外，给黑铅极强的压力后有可能出现这种结晶，研究小组今后将就这种结晶的安全合成方法进行研究。川添希望“能够将新结晶的特性应用于各种产品”。,是否还有其它的同素异形体？,47,48,49,50,51,52,Thank You for Your Attention,谢 谢 ！,53,