石墨烯技术与应用

12月10日讯近年来,随着科技的发展,新型材料被广泛应用于信息科技、生物科技、医学等众多领域,而石墨烯的问世在科学界激起了巨大的波澜,人们发现,石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性,它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。

未来新节奏

石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构,碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,其厚度只有一个碳原子的厚度,几乎完全透明;另外,常温下其电子迁移率超过15000 cm^2/vs,而电阻率只约10-6Ω·cm,比铜和银更低。所以,石墨烯是目前世上最薄电阻率最小更是最坚硬的纳米材料。

较之其他材料,石墨烯具有很多出色的电特性、热特性以及机械特性,例如,实现名为“Klein Tunneling”、透射率为100%的通道效应;电阻值为固定值而与距离无关的“弹道输运”的有效距离较长;在室温下也可呈现量子霍尔效应。

应用方向

1、传感器

石墨烯独特的二维结构使其在传感器领域具有光明的应用前景,巨大的表面积使其对周围的环境非常敏感,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。当分子吸附在石墨烯表面时,被吸附的位置会发生电阻的局域变化。石墨烯具备高电导率和低噪声的优良品质,能够探测到微小的电阻变化。

2、透明导电电极

石墨烯极好的电导性能和透光性,触摸屏、液晶显示、有机光伏电池等等,都需要良好的透明电导电极材料。此外,石墨烯的机械强度和柔韧性优于氧化铟锡,在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域,并通过化学气相沉积法,制成大面积、连续、透明、高电导率的石墨烯薄膜,能量转换效率高达1.71%。

3、生物器件

由于石墨烯可修改化学功能、大接触面积、原子尺寸厚度、分子闸极结构等等特色,可应用于细菌探测与诊断器件领域。

4、场效应管及其集成电路

石墨烯纳米带的二维结构具有高电导率、高热导率、低噪声,促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择,未来有可能替代铜金属。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。

5、抗菌物质

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。

应用案例

前面,我们介绍到石墨烯具有电气性质,可以用来制作更轻薄的手机、平板及其他移动设备。最近,哥伦比亚大学的工程师团队开发了一个纳米电机系统(Nano-mechanical System),并使用该系统顺利传导FM调频广播信号。

其实,这个纳米电机系统就是人们熟知的压控振荡器(VCO)。由于VCO能够产生调频广播的信号,团队决定使用石墨烯来创建纳米大小的版本,该版本具备100Mhz频率,可在FM广播波段87.7-108Mhz范围内。

同时,石墨烯也被应用到移动存储领域。本周,一款由石墨烯制成的的新型数据存储器dataSTICKIES问世,dataSTICKIES的外形很像人们日常使用的便利贴。

dataSTICKIES通过特殊的导电胶粘贴到光数据传输表面(ODTS)进行数据传输,并且这种低粘性的压敏粘合剂可被重复利用。用户可随意将其黏贴在计算机、电视机或音乐系统的设备表面,当dataSTICKIES被读取时,边缘会亮起显示灯。

目前,困扰电动汽车普及的最大阻碍便是充电耗时问题,而韩国研究人员正对一项新型石墨烯电池技术进行研究,这种新型电池在不影响能量密度的情况下,将电动汽车的充电时间缩短到16秒。

该项技术就是利用新型多孔石墨烯材料巨大的表面区域,在极短的时间内,所充电量与普通锂电池相当,并且在电极经过1万次充放电后,能量密度没有明显损失。(来源:2013年 OFweek网)