1、石墨烯：单原子层二维碳晶体石墨烯：单原子层二维碳晶体2010年诺贝尔物理学奖简介我们可以制得多么薄的材料？微米级？纳米级？或者仅有一个原子的厚度！石墨烯（graphene），只有一个原子层厚的单层石墨片，石墨的极限形式，曾是一种科学家曾经认为不会存在的二维物体。它不但是人们获得过的最薄最薄的物质，也是最坚固最坚固的物质。人们预计，石墨烯将来有可能应用在各种新鲜的电子设备上。石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。石墨烯示意图什么是石墨烯？石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的的运
2、动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为子，或更准确地，应称为“载荷子载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非，的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一
3、个碳片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。原子厚度的单层就是石墨烯。用石墨烯制造用石墨烯制造超级柔韧触摸超级柔韧触摸屏屏石墨烯微芯片石墨烯晶圆石墨烯的特性 石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。其完美的晶格结构，常被单质，结构非常稳定。其完美的晶格结构，常被误认为很僵硬，但事实并非如此。石墨烯各个碳误认为很僵硬，但事实并非如此。石墨烯各个碳原子间的连接非常原子间的连接非常柔韧柔韧，当施加外部机械力时，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。这样，碳原子就不需要重碳原子面就弯曲变形。这样，碳原子就
4、不需要重新排列来适应外力，这也就保证了石墨烯结构的新排列来适应外力，这也就保证了石墨烯结构的稳定，使得石墨烯比金刚石还坚硬，同时可以像稳定，使得石墨烯比金刚石还坚硬，同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。这种稳定的晶格结构还使拉橡胶一样进行拉伸。这种稳定的晶格结构还使石墨烯具有优秀的石墨烯具有优秀的导电性导电性。石墨烯中的电子在。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。由于其原子间作用力非常强，在常而发生散射。由于其原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的
5、干扰也非常小子受到的干扰也非常小。研究历史 1947年，菲利普华莱士开始研究石墨烯的电子结构 1956年，麦克鲁推出了相应的波函数方程 1984年，谢米诺夫得出与波函数方程类似的狄拉克方程 1987年，穆拉斯首次使用graphene一词那么如何才能制得石墨烯？美国德克萨斯大学的罗德尼鲁夫曾尝试着将石墨在硅片上摩擦，并深信采用这个简单的方法可获得单层石墨烯，但可惜他当时并没有对产物的厚度做进一步的测量。美国哥伦比亚大学的菲利普金也利用石墨制作了一个“纳米铅笔”，在一个表面上划写，并得到了石墨薄片，层数最低可达10层。他们离石墨烯的发现仅一步之遥。七年前的一天，英国曼彻斯特大学教授安德烈七年前的一
6、天，英国曼彻斯特大学教授安德烈盖姆（盖姆（Andre Geim）交给他新招的中国博士生一块石墨，让他打磨出小）交给他新招的中国博士生一块石墨，让他打磨出小薄片来，交代他说越薄越好。同时交给这名博士生使用的还薄片来，交代他说越薄越好。同时交给这名博士生使用的还有一部精密的打磨仪器。三个星期过去了，博士生拿着打磨有一部精密的打磨仪器。三个星期过去了，博士生拿着打磨出来的石墨薄片来见盖姆。盖姆用显微镜观察了一下，这个出来的石墨薄片来见盖姆。盖姆用显微镜观察了一下，这个薄片大约有薄片大约有10微米，也就意味着大约有微米，也就意味着大约有1000层碳原子。盖层碳原子。盖姆问博士生：姆问博士生：“你还能弄
7、得更薄一点吗？你还能弄得更薄一点吗？”博士生回答说：博士生回答说：“那样的话，我就需要一块新的石墨。那样的话，我就需要一块新的石墨。”盖姆提供给他的这盖姆提供给他的这种石墨叫做种石墨叫做“高定向热解石墨高定向热解石墨”，大约，大约300美元一块。听他美元一块。听他这么一说，盖姆的话就不那么中听了，他对博士生说，你不这么一说，盖姆的话就不那么中听了，他对博士生说，你不需要为了一个薄片而把整块石墨都用光啊。博士生则回敬道：需要为了一个薄片而把整块石墨都用光啊。博士生则回敬道：“你这么聪明，那你自己干啊！你这么聪明，那你自己干啊！”博士生的话说到这个份上，博士生的话说到这个份上，盖姆作为导师别无选择
8、，只有亲自上阵。他在一个星期的时盖姆作为导师别无选择，只有亲自上阵。他在一个星期的时间里，成功地把石墨薄片做到了只有间里，成功地把石墨薄片做到了只有10层厚。后来，他与合层厚。后来，他与合作者康斯坦丁作者康斯坦丁诺沃肖洛夫（诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）更是）更是最终得到了单层的石墨，也就是石墨烯。最终得到了单层的石墨，也就是石墨烯。盖姆没有在博士生面前丢脸，并不是因为他使用了什么更为先进的仪器。恰恰相反，他用的是最便宜的工具透明胶带。盖姆的做法是，用透明胶带粘在石墨的顶层再撕下来，这样就会有碎片脱落，粘在胶带上。当然这时碎片仍然是相对很厚的。盖姆对折胶带，再粘一次，这
9、样就能得到更薄一些的碎片。然后重复这个过程10到20次，就用这种方式得到了10层厚的石墨薄片。2010年10月，英国曼彻斯特大学安德安德烈烈盖姆盖姆和其昔日的弟子康斯坦丁康斯坦丁诺沃肖洛诺沃肖洛夫夫因在石墨烯方面卓越研究而分享了诺贝尔物理学奖，从而使石墨烯在量子计算、生物计算、光计算、碳纳米管等硅计算替代者中，脱颖而出。石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能，因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果要经得起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几十年后才颁发，而石墨烯材料的制备成功才6年时间，就获得了诺贝尔奖。胶带制备石墨烯胶带制备石墨烯 只有想不到的，没有做只有想不到的，没有做不到的不到的
10、！对于创新来说，方法就是新的世界，最重要的不是对于创新来说，方法就是新的世界，最重要的不是知识，而是思路。知识，而是思路。郎加明郎加明创新的奥秘创新的奥秘 制备方法制备方法 石墨烯的合成方法主要有两种：石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法包括微机械分离法、取向附生法和加热和加热SiC的方法的方法；化学方法是化学方法是化学还原法与化学解理法。化学还原法与化学解理法。应用前景 可做可做“太空电梯太空电梯”缆线缆线 据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知的强度最
11、高的物质，它将拥墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它将拥有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯太空电梯”缆线的制缆线的制造打开了一扇造打开了一扇“阿里巴巴阿里巴巴”之门。美国研究人员之门。美国研究人员称，称，“太空电梯太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上并且足够强
12、韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质强度最高的物质“石墨烯石墨烯”完全适合用来制造太完全适合用来制造太空电梯缆线！空电梯缆线！代替硅生产超级计算机代替硅生产超级计算机 科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来
13、越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机替代品，能用来生产未来的超级计算机。光子传感器光子传感器 石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种
14、传感器是用于检测光更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。去由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。去年年10月，月，IBM的一个研究小组首次披露了的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。透光性。其它应用其它应用 石墨烯还可
15、以应用于晶体管、触摸屏、基因测序石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破究领域取得新突破。我国。我国科研人员发现细菌的细科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至食品包装甚至抗菌抗菌T恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨
16、电极灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。万英里长太空电梯成为现实。如今获得大面积连续石墨烯膜已不是难事，但所的结构并不是一个完整的单晶。对石墨烯形核机制与生长动力学的深入理解是解决这一问题的关键，也是当前及未来的一个研究热点。对石墨烯层数的精确控制是另一个亟待攻破的难题，需要材料学家、化学家和物理学家（将来的同学们）同时为之而努力。The End欢送演讲人欢送演讲人！谢谢！谢谢！
