石墨烯的特性是什么_石墨烯物理特性介紹

　　石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級計(jì)算機(jī)。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅，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)了72%-81%的電能。而在石墨烯中，每個碳原子都有一個垂直于碳原子平面的σz軌道的未成鍵的p電子，在晶格平面兩側(cè)如苯環(huán)一樣形成高度巡游的大π鍵，可以在晶體中自由高效的遷移，且運(yùn)動速度高達(dá)光速的1/300，電子能量不會被損耗，賦予了石墨烯良好的導(dǎo)電性。晶格平面兩側(cè)高度巡游的大π鍵電子又使其具有零帶隙半導(dǎo)體和狄拉克載流子特性寬頻的光吸收和非線性光學(xué)性質(zhì)，以及室溫下的量子霍爾效應(yīng)等。常溫下石墨烯電子遷移率超過15000cm2/V·s，比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約為10-6Ω·cm，比銅或銀更低，是世上電阻率最小的材料。用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會快數(shù)百倍。這些優(yōu)異的性能使石墨烯在太陽能電池、觸摸屏、場效應(yīng)晶體管、高頻器件、自旋器件、場發(fā)射材料、靈敏傳感器、高性能電池和超級電容、微納機(jī)電器件及復(fù)合材料諸多領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用。

　　石墨烯是新一代的透明導(dǎo)電材料，在可見光區(qū)，四層石墨烯的透過率與傳統(tǒng)的ITO薄膜相當(dāng)，在其它波段，四層石墨烯的透過率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ITO薄膜。石墨烯幾乎是完全透明的，透光率高達(dá)97.4%。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子（氫原子）也無法穿透。并且石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能光板。

　　石墨烯的比表面積

　　比表面積影響著石墨烯和石墨烯相關(guān)材料（如石墨烯氧化物、石墨烯金屬氧化物復(fù)合材料、采用雜原子的石墨烯、納米光催化劑等等）的各種應(yīng)用。在很大程度上，這些材料的暴露面與氣體、液體、固體、電子、離子、光子和聲子相互作用。因此，評估石墨烯材料的比表面積是理解和優(yōu)化其性能的至關(guān)重要的一步。

　　目前，評估石墨烯材料的比表面積的*可靠的方式是經(jīng)典的BET方法。這種方法的通過合適的設(shè)備測得的氮吸附77K等溫線來獲取石墨烯材料的比表面積。低溫條件促使暴露的石墨烯材料的表面形成等效單層吸附的氮分子。BET比表面積通過一個氮分子覆蓋的面積（0.162 nm2）乘以形成等效單層所需的分子數(shù)簡單地計(jì)算而來。這種幾十年前采用的BET方法，能夠量化其他方式無法觸及的表面，因此，是國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）推薦的比表面積評估方法。

　　如果充分暴露的面積足夠大。然而，石墨烯片層往往互相堆疊，這是由于它們的表面之間微弱而廣泛的范德華力作用。石墨烯的層狀堆積降低了它們有效的比表面積，與它們的疊加程度成正比。*近，郭教授等使用Autosorb物理吸附分析儀研究了這種關(guān)系。表1顯示了通過公式N = At/Am的一種簡單比例定律進(jìn)行的預(yù)測，其中N是堆疊層的層數(shù)，At是石墨烯理論比表面積，Am是實(shí)測的BET比表面積，與通過其他技術(shù)得出的N值進(jìn)行比較。理論和實(shí)驗(yàn)之間的高度一致性尤其在更高的比表面積情況下有所體現(xiàn)，石墨烯表面越大，游離的石墨烯粒子越易于通過孔隙接觸，如下圖所示。

　　表1.商業(yè)石墨烯樣品的平均堆疊層數(shù)（N）氣體吸附預(yù)計(jì)與報(bào)告值的比較

　　石墨烯的孔徑

　　石墨烯或石墨烯相關(guān)材料的孔隙可包括片層中的孔，其尺寸可以定制，例如，通過選擇環(huán)切除和氮鈍化，片層之間的空間，整體孔隙尺寸和大小分布是由堆積程度、褶皺作用或者添加劑支撐決定的。Autosorb物理吸附分析儀測量石墨烯材料孔隙大小分布的代表性例子如圖2所示。在這種特殊情況下，剝落石墨烯氧化物材料的化學(xué)活化作用產(chǎn)生具有98%sp2結(jié)合物的石墨烯衍生產(chǎn)品，極高的BET比表面積，和雙峰的孔徑分布。注意，使用二氧化碳可抵達(dá)低于~ 0.7 nm超微孔隙，實(shí)現(xiàn)273 K吸附，以避免氮?dú)庠?小的納米孔的緩慢擴(kuò)散。合理的一致性在高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察分析和非定域密度函數(shù)理論孔徑分布來計(jì)算或更先進(jìn)的淬火固體密度函數(shù)理論（QSDFT）方法［7］中有報(bào)告，該方法考慮了表面石墨烯樣品的各向異性。這些孔徑的特性已被證明與石墨烯和石墨烯材料的性能相關(guān)，使其能得到更廣泛的應(yīng)用 。

　　例如，多級微介孔結(jié)構(gòu)已被證明能夠以較小的微孔隙保留較高的比表面積和反應(yīng)性，通過更大的介孔進(jìn)行各種物質(zhì)更快的擴(kuò)散和傳輸。顯然，氣體吸附技術(shù)適合于微介孔石墨烯和石墨烯材料的表征。關(guān)于這些基本特性測量的各種研究出版的數(shù)量的大量增加，也證明了這一點(diǎn)。

　　石墨烯的密度

　　氣體膨脹法法提供了一種快速、清潔和無損評估碳材料密度的方法。該方法的精密度和準(zhǔn)確度，如自動化micro-Ultrapyc1200e （能夠處理的樣品體積微小至0.1cm3）能充分評估石墨烯相關(guān)材料的化學(xué)和物理特性的差異。

　　石墨烯片層的密度可隨堆疊的順序和完善程度而增加。完美疊加和對齊的石墨烯片層的密度接近晶質(zhì)鱗片狀石墨——（2.267 g/cm3）。然而，雜原子堆疊的瑕疵和缺陷趨于降低密度值，這取決于雜原子的性質(zhì)和成分，以及孔隙的特征。在某些情況下，堆積或集聚期間產(chǎn)生的孔隙可保持與外部氣體隔絕。尤其是封閉的孔道會顯著降低測量的密度，但可以通過一些過程暴露出來，例如，對大量游離石墨烯粒子進(jìn)行高能研磨過程。因此，報(bào)告的石墨烯相關(guān)材料（粉末狀或薄膜狀）的密度處于~ 1.6 g/cm3和~ 2.1 g/cm3 之間不等，而且這一情況并不少見。

　　石墨烯的反應(yīng)活性

　　雖然理想的石墨烯二維晶體的表面都是均勻的，但是，實(shí)際的石墨烯材料往往在能量、化學(xué)和物理特性上表現(xiàn)出各向異性。表面位點(diǎn)可能對吸附、離子或電子交換、機(jī)械強(qiáng)度等等產(chǎn)生更多反應(yīng)，包括石墨烯片層邊緣、Stone-Wales缺陷點(diǎn)、雜原子、功能基團(tuán)、雜質(zhì)、金屬催化劑，等等?；瘜W(xué)吸收作用和溫度編程技術(shù)評估石墨烯和石墨烯相關(guān)材料更多反應(yīng)點(diǎn)的數(shù)量和質(zhì)量，采用經(jīng)典的和更現(xiàn)代化的技術(shù)，可以采用便利的自動化方法，并且使用現(xiàn)有的先進(jìn)的化學(xué)吸附儀器，如Autosorb或ChemStar來實(shí)現(xiàn)。