解密石墨烯：新奇性能——科技創造未來
摘 要：
石墨烯是2004年發現的一種有奇異性能的新型材料，它是由碳原子組成的二維六角點陣結構，具有單一原子層或幾個原子層厚。石墨烯因其具有獨特的電子能帶結構和具相對論電子學特性，是迄今為止人類發現的最理想的二維電子系統，且具有豐富而新奇的物理特性。
引 言：
石墨烯是sp2雜化碳原子形成的厚度僅為單層原子的排列成蜂窩狀六角平面晶體。在單層石墨烯中，碳碳鍵長為0.142nm，厚度只有0.334nm。它具有單一原子層或幾個原子層厚。石墨烯被認為是平面多環芳香烴原子晶體，在電子和光電器件領域有著重要和廣闊的應用前景 。石墨烯是構成碳同素異型體的基本單元，例如：石墨，碳納米管和富勒烯等。
石墨烯是一種沒有能隙的半導體，具有比硅高100倍的載流子遷移率，在室溫下具有微米級自由程和大的相干長度，因此石墨烯是納米電路的理想材料，石墨烯具有良好的導熱性[3000W／(m·K)]、高強度(110GPa)和超大的比表面積 (2630mZ／g)。這些優異的性能使得石墨烯在納米電子器件、氣體感測器、能量存儲及複合材料等領域有光明的應用前景 。
石墨烯的特殊性能：
石墨烯是一種半金屬或者零帶隙二維材料，在靠近布里淵區6個角處的低能區，其E-k色散關係是線性的 ,因而電子或空穴的有效質量為零，這裡的電子或空穴是相對論粒子，可以用自旋為1／2粒子的狄拉克方程來描述。
石墨烯的電子遷移率實驗測量值超過15000cm／(V·s)(載流子濃度n≈10 cm )，在10～100K範圍內，遷移率幾乎與溫度無關，說明石墨烯中的主要散射機制是缺陷散射，因此，可以通過提高石墨烯的完整性來增加其遷移率，長波的聲學聲子散射使得石墨烯的室溫遷移率大約為200000cm ／(V·s)，其相應的電阻率為lO -6 ·cm，比室溫電阻率最小的銀的電阻率還小。硅的電子遷移率為l400cm2／(V.s)，電子在石墨烯中的傳輸速度是在硅中的100倍，因而未來的半導體材料是石墨烯而不是硅。這將使開發更高速的計算機晶元和生化感測器成為可能。但是當石墨烯生長在siO2襯底上時，由於襯底的光學聲子對電子的散射比石墨烯本身對電子的散射要強很多，導致電子的遷移率下降為40000cm ／(V·s)。
同時，人們也研究了化學摻雜對石墨烯載流子遷移率的影響。Schedin等發現 ，即使雜質濃度超過10 cm ，載流子遷移率也沒有發生變化。研究發現 ，低溫和超高真空的環境下，對石墨烯摻雜金屬鉀可以使載流子的遷移率下降至原來的1／20左右，而當加熱石墨烯，去除摻雜的鉀後，載流子的遷移率又可以恢復到以前的水平。石墨烯獨特的電子特性產生了一種令人預想不到的高不透光性，這種單原子層對白光的吸收率是一個非常令人驚奇的數字：a≈2.3%，a是精細結構常數 。
石墨烯的電子特性可以用傳統的緊束縛模型來描述，在這個模型中，電子能量與波數可以用式(1)來表示：其中： =2．8eV為最緊鄰躍遷能量，a為晶格常數，色散關係中的正負號分別對 應於導帶和價帶，它們在6個K點處值相同。這6個K點中有2個是無關的，而其它4個由於對稱性而完全等價。在K點附近，能量線性地依賴于波數，非常像相對論粒子。
石墨烯被認為是理想的自旋電子學材料，因為其自旋一軌道耦合很弱，而且碳原子的核磁矩幾乎為零，因此，電子的自旋注入核探測可以在室溫下進行。石墨烯中，電子自旋擴散長度在室溫下甚至超過l m。石墨烯是現在世界上已知的最為堅固的材料。哥倫比亞大學JamesHone組的研究人員將石墨烯薄片襯於直徑為l～1．5 m的SiO2空洞上 ，用顯微鏡確定石墨烯的位置後，開始利用硅探頭來按壓石墨烯薄膜，但是，他們很快發現硅探頭的強度不夠，往往是石墨烯薄膜未破，硅探頭就斷了，後來就只能改用半徑大概為10～30nm的鑽石探頭來按壓，以得到薄膜被破壞時的應力值。然而令人震驚的是，石墨烯的強度是世界上最好的鋼強度的100倍。最後，研究人員利用原子力顯微鏡針尖測量了石墨烯的力學性能，其彈性係數為10 N／m，而楊氏模量達0．5TPa。
本徵石墨烯超晶胞模型 ：
幾何結構的優化和電子結構的計算是採用基於密度的泛函理論 ( DFT) castep軟體包完成。在進行結構弛豫和電子結構的計算中 。採用廣義梯度近似修正的泛函處理交換相關勢能。能帶結構積分路徑的選取如圖1所示。為減少平面波的數量採用超軟贗勢描述原子實與價電子之間相互作用。平面波截斷能設置為280ev，k-point設置為1×1×2對應第一布里淵區。 結構優化採用BFGS演算法，優化參數設置如下：單元電子能收斂標準為1. 0 × 10 － 5 eV/ atom，原子間相互作用力力收斂標準為0. 03 eV，晶體內應力收斂標準為0.05GPa，原子最大位移收斂標準為1.0×10-13m，三維模型中真空層取1.0×10-9m，石墨烯原胞結構如2（a）所示，能帶結構如2（b），由圖2可以看出，對於石墨烯原胞，其能帶結構帶隙為零，表現了很強的金屬特性。科學家對石墨烯原胞進行5×5×1的擴展，得到50個碳原子的超晶胞，能帶帶隙為零，以上計算結果與實驗測試相符合，表明石墨烯具有良好的導電性。
結 束 語：
新能源材料石墨烯的奇異特點：
結構非常穩定，具有優秀的導電性，受到的干擾非常小，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，有相當的不透明度，是人類已知強度最高的物質比鑽石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。
新能源石墨烯應用範圍：
【1】電子消費類：
充電寶、對講機、定位器、助聽器、電腦、手錶、智能手機、電視機、影碟機、錄像機、攝錄機、收音機、電唱機、激光唱機（CD）、數碼相機、音箱、遙控電子鎖、驗鈔機、計算器、智能電視盒、電動剃鬚刀、電吹風、電動按摩器、火報警器、電鈴、電子點火器、電動牙刷、按摩器、電推剪、煤氣灶、家用水泵、石英電子鐘、保健枕、電子針灸器、生理信息治療儀、電子起搏器、脈衝治療器、電子涼枕、電子滅蚊器、捶骨器、電磁按摩器等。
【2】工業類：
汽車能源電池、電動車電池、自行車電池、光伏發電、風力發電、辦公移動電源、無人機、機器人、戶外移動電源、監控、交通信號指示、測速、攝像、遠程監控、wifi、GPS定位、應急救援、郊外工程施工用電、警用、消防、醫院、銀行、低壓變頻器、高壓變頻器、電機、低壓電器 、手電筒鑽、衝擊鑽、電鎬、熱風槍 、叉車、堆高車、搬運車、平台車、吊具、測電筆、推拉力計、斷路器、變壓器、接觸器、熱繼電器、電動機綜合保護器、中間繼電器，時間繼電器、過流繼電器、變頻器、軟啟動器、電阻、頻敏變阻器、熔斷器、框架斷路器、浪涌吸收器、真空斷路器、UPS、EPS、直流屏、電容器、電抗器、行程開關、光電開關、液位開關、拉繩開關、電度表、電壓表、電流表、電笛、電鈴、頻率表、多功能表、無功功率表、功率因素表、電位器、事故報警器、高低壓開關櫃、照明配電箱、配電箱、操作箱、PLC、DCS、工控機等。
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