石墨烯有什么用？?jī)蓚�(gè)應(yīng)用案例讓你了解石墨烯的應(yīng)用前景
2010年，Geim和Novoselov因?yàn)槭┑墓ぷ鳙@得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
這個(gè)獎(jiǎng)給很多人都留下了深刻的印象，畢竟不是每一個(gè)諾獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)工具都像膠帶紙一般親民常見(jiàn)，也不是每以個(gè)的研究對(duì)象都像“二維晶體”石墨烯那樣神奇又易于理解。而2004年的工作能夠在2010年就獲獎(jiǎng)，在最近一些年諾貝爾獎(jiǎng)的記錄上也是不多見(jiàn)的。
石墨烯(Graphene)是由單層的碳原子緊密排列成二維的蜂巢狀六角格子的一種物質(zhì)。和金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管還有無(wú)定形碳一樣，它是一種單純由碳元素構(gòu)成的物質(zhì)(單質(zhì))。如下圖所示，富勒烯和碳納米管都可以看成是由單層的石墨烯依照某種方式卷成的，而石墨正是由很多層石墨烯堆疊成的。利用石墨烯來(lái)描述各種碳單質(zhì)(石墨、碳納米管和石墨烯)性質(zhì)的理論研究持續(xù)了近六十年，但是普遍認(rèn)為這樣的二維材料是難以穩(wěn)定地單獨(dú)存在的，只有依附在三維的襯底表面或者在像石墨那些的物質(zhì)內(nèi)部。直到2004年Andre Geim 和他的學(xué)生Konstantin Novoselov通過(guò)實(shí)驗(yàn) ，從石墨里面剝離出來(lái)了單層的石墨烯，關(guān)于石墨烯的研究才獲得了新的發(fā)展。
富勒烯(左)和碳納米管(中)都可以看作是由單層的石墨烯通過(guò)某種方式卷成的，而石墨(右)是由多層石墨烯通過(guò)范德華力的聯(lián)系堆疊成的。
如今，石墨烯可以通過(guò)很多種方法獲得，不同的方法各有利弊。Geim和Novoselov獲得石墨烯的方法很簡(jiǎn)單，他們用超市就能買到的透明膠帶，從一塊高序熱解石墨中剝離出了僅有一層碳原子厚度的石墨薄片——石墨烯。這樣方便但是可控性并不那么好，而且只能獲得大小在一百微米(十分之一毫米)以下的石墨烯，能夠拿來(lái)做實(shí)驗(yàn)但是很難拿來(lái)做實(shí)際的應(yīng)用�；瘜W(xué)氣相沉積可以在金屬表面上生長(zhǎng)出數(shù)十厘米大小的石墨烯樣品，雖然取向一致的區(qū)域大小最高只有一百微米[3,4]，但是已經(jīng)適合某些應(yīng)用的產(chǎn)品生產(chǎn)需求。另外一種比較常見(jiàn)的方法是將碳化硅(SiC)晶體在真空中加熱到1100攝氏度以上，使得表面附近的硅原子蒸發(fā)掉，而剩余的碳原子重新排布，也能獲得性質(zhì)相當(dāng)不錯(cuò)的石墨烯樣品。
石墨烯是一種有著獨(dú)特性質(zhì)的全新材料：它的導(dǎo)電性能像銅一樣優(yōu)秀，它的導(dǎo)熱性能比已知的任何材料都要出色。 它很透明，垂直入射的可見(jiàn)光只有很小一部分(2.3%)會(huì)被石墨烯吸收，而絕大部分的光都會(huì)透過(guò)去。它又很致密，連氦原子(最小的氣體分子)也不能穿過(guò)去。這些神奇的性質(zhì)并不是從石墨直接繼承來(lái)的，而是來(lái)源于量子力學(xué)。其獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)決定了它有廣闊的應(yīng)用前景。
石墨烯雖然才出現(xiàn)了不到十年的時(shí)間，但已經(jīng)展現(xiàn)了許多技術(shù)上的應(yīng)用，這一點(diǎn)在物理學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域都是很難得的，一般的材料從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H生活都需要十幾年甚至幾十年的時(shí)間。石墨烯到底有什么用呢?讓我們來(lái)看兩個(gè)例子。
柔軟的透明電極
在很多電器里，都需要用到透明的導(dǎo)電材料作為電極，電子表、計(jì)算器、電視機(jī)、液晶顯示器、觸摸屏、太陽(yáng)能電池板等等諸多設(shè)備里都無(wú)法離開(kāi)透明電極的存在。傳統(tǒng)的透明電極用的是氧化銦錫(Indium Tin Oxide,簡(jiǎn)稱ITO)，由于銦的價(jià)格高昂和供應(yīng)受限，而且這種材料比較脆，缺乏柔韌性，并且制作電極過(guò)程中需要在真空中層沉積而成本比較高，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，科學(xué)家們都在致力于尋找它的替代品。除了透明、導(dǎo)電性好、容易制備等要求，如果材料本身的柔韌性比較好話，將適合用來(lái)做“電子紙”或者其他可以折疊的顯示設(shè)備，因此柔韌性也是一個(gè)很重要的方面。而石墨烯正是這么一種材料，非常合適來(lái)做透明電極。
韓國(guó)三星公司和成均館大學(xué)的研究人員利用化學(xué)氣相沉積的方法獲得了對(duì)角長(zhǎng)度為30英寸的石墨烯，并將其轉(zhuǎn)移到188微米厚的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，簡(jiǎn)稱PET)薄膜上，進(jìn)而制造出了以石墨烯為基礎(chǔ)的觸摸屏[4]。如下圖所示，生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯先和熱剝離型膠帶(藍(lán)色透明部分)粘在一起，然后用化學(xué)的方法把銅箔溶解掉，最后用加熱的方法把石墨烯轉(zhuǎn)移到PET薄膜上去。
生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯轉(zhuǎn)移到PET薄膜的過(guò)程示意圖
研究者們?cè)谑┥线m當(dāng)?shù)奈恢糜∩香y電極，用銀電極把材料劃分成一塊塊3.1英寸大小的區(qū)域，然后在區(qū)域內(nèi)的石墨烯上放上規(guī)則排布的絕緣點(diǎn)陣。這樣兩片對(duì)應(yīng)的組裝在一起就做成了彈性很好的觸摸屏器件。當(dāng)它同電腦上的控制軟件連通時(shí)，它就能發(fā)揮觸摸屏的作用了。
從上到下：在石墨烯上印好的銀電極把材料分成大小為3.1英寸的區(qū)域;組裝好的石墨烯觸摸屏面板;接到電腦上使用的石墨烯觸摸屏。
這個(gè)觸摸屏的工作原理很容易理解。像下圖中顯示的那樣，觸摸屏由上下兩層粘在PET薄膜上的石墨烯構(gòu)成，沒(méi)有接觸的情況下，兩層石墨烯被下層上放置的絕緣點(diǎn)陣阻隔而互不接觸。當(dāng)外界壓力存在的時(shí)候，PET薄膜和石墨烯在壓力下發(fā)生形變，這樣上下兩層石墨烯就發(fā)生接觸，電路聯(lián)通。接觸的位置不同，器件邊緣電極收集到的電信號(hào)也不一樣，通過(guò)對(duì)電信號(hào)的分析，就可以確定是觸摸屏上的哪個(gè)位置發(fā)生了接觸。
石墨烯觸摸屏的工作原理示意圖
新型的光電感應(yīng)設(shè)備
石墨烯有非常獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)。雖然只有一層原子，但是它在整個(gè)可見(jiàn)光直到紅外的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都可以吸收入射光的2.3%，這個(gè)數(shù)字和石墨烯的其他材料參數(shù)沒(méi)有關(guān)系，是由量子電動(dòng)力學(xué)決定的[6]。吸收的光會(huì)導(dǎo)致載流子(電子和空穴)的產(chǎn)生，石墨烯里面載流子的產(chǎn)生和輸運(yùn)都和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體有很大不同。這使得石墨烯很合適用來(lái)做超快的光電感應(yīng)設(shè)備，據(jù)估計(jì)，這樣的光電感應(yīng)設(shè)備有可能能以500GHz的頻率工作，用于信號(hào)傳輸?shù)脑�，每秒鐘可以傳�?000億個(gè)0或者1,可以在1秒內(nèi)完成兩張藍(lán)光光碟內(nèi)容的傳輸。
美國(guó)IBM Thomas J. Watson Research Centre的專家們利用石墨烯，制造出了可以工作在10GHz頻率的光電感應(yīng)設(shè)備[8]。首先，用“撕膠帶法”在覆蓋有300納米厚二氧化硅的硅襯底上面準(zhǔn)備好石墨烯小片，然后在上面做出間隔為1微米寬度為250納米的鈀-金或者鈦-金電極。這樣，就得到了一個(gè)以石墨烯為基礎(chǔ)的光電感應(yīng)設(shè)備。
石墨烯光電感應(yīng)設(shè)備的示意圖和實(shí)際樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。圖中的黑色短線對(duì)應(yīng)5個(gè)微米，金屬線之間的距離是一個(gè)微米。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究者們發(fā)現(xiàn)，這種金屬-石墨烯-金屬結(jié)構(gòu)的光電感應(yīng)設(shè)備最高可以達(dá)到16GHz的工作頻率，并且可以高速工作在從300納米(近紫外)到6微米(紅外)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，而傳統(tǒng)的光電感應(yīng)管則不能對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光響應(yīng)。石墨烯光電感應(yīng)設(shè)備的工作頻率還有很大的提高余地，優(yōu)越的性能使得它有著廣泛的包括通訊、遙控、環(huán)境監(jiān)測(cè)在內(nèi)的應(yīng)用前景。
作為一種性質(zhì)獨(dú)特的新興材料，關(guān)于石墨烯應(yīng)用的研究層出不窮。我們?cè)谶@里難以一一列舉。將來(lái)，還有可能會(huì)在日常生活中出現(xiàn)石墨烯做的場(chǎng)效應(yīng)管、石墨烯做的分子開(kāi)關(guān)、石墨烯做的分子探測(cè)器……逐漸走出實(shí)驗(yàn)室的石墨烯，一定會(huì)在日常生活中大放異彩。
我們可以期待，在不遠(yuǎn)的將來(lái)出現(xiàn)大量的使用石墨烯的電子產(chǎn)品。想想看，如果我們手里的智能手機(jī)和上網(wǎng)本在不用的時(shí)候，可以卷起來(lái)夾在耳朵上，塞在口袋里，或者圍在手腕上，那是多么有趣啊!
