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1、石墨烯：?jiǎn)卧訉佣S碳晶體石墨烯：?jiǎn)卧訉佣S碳晶體2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介我們可以制得多么薄的材料？微米級(jí)？納米級(jí)？或者僅有一個(gè)原子的厚度！石墨烯（graphene），只有一個(gè)原子層厚的單層石墨片，石墨的極限形式，曾是一種科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為不會(huì)存在的二維物體。它不但是人們獲得過(guò)的最薄最薄的物質(zhì)，也是最堅(jiān)固最堅(jiān)固的物質(zhì)。人們預(yù)計(jì)，石墨烯將來(lái)有可能應(yīng)用在各種新鮮的電子設(shè)備上。石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米，把20萬(wàn)片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。石墨烯示意圖什么是石墨烯？石墨烯是一種二維晶體，最大的特性是其中電子石墨烯是一種二維晶體，最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的的運(yùn)

2、動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子載荷子”(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。人們常見(jiàn)的石墨是由一層層以蜂窩狀有常相似。人們常見(jiàn)的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一

3、個(gè)碳片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。原子厚度的單層就是石墨烯。用石墨烯制造用石墨烯制造超級(jí)柔韌觸摸超級(jí)柔韌觸摸屏屏石墨烯微芯片石墨烯晶圓石墨烯的特性 石墨烯是由碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳石墨烯是由碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質(zhì)，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。其完美的晶格結(jié)構(gòu)，常被誤單質(zhì)，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。其完美的晶格結(jié)構(gòu)，常被誤認(rèn)為很僵硬，但事實(shí)并非如此。石墨烯各個(gè)碳原子認(rèn)為很僵硬，但事實(shí)并非如此。石墨烯各個(gè)碳原子間的連接非常間的連接非常柔韌柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形。這樣，碳原子就不需要重新排列子面就彎曲變形。這樣，

4、碳原子就不需要重新排列來(lái)適應(yīng)外力，這也就保證了石墨烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，使來(lái)適應(yīng)外力，這也就保證了石墨烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，使得石墨烯比金剛石還堅(jiān)硬，同時(shí)可以像拉橡膠一樣得石墨烯比金剛石還堅(jiān)硬，同時(shí)可以像拉橡膠一樣進(jìn)行拉伸。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)還使石墨烯具有優(yōu)進(jìn)行拉伸。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)還使石墨烯具有優(yōu)秀的秀的導(dǎo)電性導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于其原子間作用力非常強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原其原子間作用力非常強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小子發(fā)生擠撞

5、，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。研究歷史1947年，菲利普華萊士開(kāi)始研究石墨烯的電子結(jié)構(gòu)1956年，麥克魯推出了相應(yīng)的波函數(shù)方程1984年，謝米諾夫得出與波函數(shù)方程類似的狄拉克方程1987年，穆拉斯首次使用graphene一詞那么如何才能制得石墨烯？美國(guó)德克薩斯大學(xué)的羅德尼魯夫曾嘗試著將石墨在硅片上摩擦，并深信采用這個(gè)簡(jiǎn)單的方法可獲得單層石墨烯，但可惜他當(dāng)時(shí)并沒(méi)有對(duì)產(chǎn)物的厚度做進(jìn)一步的測(cè)量。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的菲利普金也利用石墨制作了一個(gè)“納米鉛筆”，在一個(gè)表面上劃寫(xiě)，并得到了石墨薄片，層數(shù)最低可達(dá)10層。他們離石墨烯的發(fā)現(xiàn)僅一步之遙。七年前的一天，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授安德烈七年前的一天，英

6、國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授安德烈蓋姆（蓋姆（Andre Geim）交給他新招的中國(guó)博士生一塊石墨，讓他打磨出小）交給他新招的中國(guó)博士生一塊石墨，讓他打磨出小薄片來(lái)，交代他說(shuō)越薄越好。同時(shí)交給這名博士生使用的還薄片來(lái)，交代他說(shuō)越薄越好。同時(shí)交給這名博士生使用的還有一部精密的打磨儀器。三個(gè)星期過(guò)去了，博士生拿著打磨有一部精密的打磨儀器。三個(gè)星期過(guò)去了，博士生拿著打磨出來(lái)的石墨薄片來(lái)見(jiàn)蓋姆。蓋姆用顯微鏡觀察了一下，這個(gè)出來(lái)的石墨薄片來(lái)見(jiàn)蓋姆。蓋姆用顯微鏡觀察了一下，這個(gè)薄片大約有薄片大約有10微米，也就意味著大約有微米，也就意味著大約有1000層碳原子。蓋姆層碳原子。蓋姆問(wèn)博士生：?jiǎn)柌┦可骸澳氵€能弄得更薄

7、一點(diǎn)嗎？你還能弄得更薄一點(diǎn)嗎？”博士生回答說(shuō)：博士生回答說(shuō)：“那樣的話，我就需要一塊新的石墨。那樣的話，我就需要一塊新的石墨?！鄙w姆提供給他的這種蓋姆提供給他的這種石墨叫做石墨叫做“高定向熱解石墨高定向熱解石墨”，大約，大約300美元一塊。聽(tīng)他這美元一塊。聽(tīng)他這么一說(shuō)，蓋姆的話就不那么中聽(tīng)了，他對(duì)博士生說(shuō)，你不需么一說(shuō)，蓋姆的話就不那么中聽(tīng)了，他對(duì)博士生說(shuō)，你不需要為了一個(gè)薄片而把整塊石墨都用光啊。博士生則回敬道：要為了一個(gè)薄片而把整塊石墨都用光啊。博士生則回敬道：“你這么聰明，那你自己干?。∧氵@么聰明，那你自己干??！”博士生的話說(shuō)到這個(gè)份上，博士生的話說(shuō)到這個(gè)份上，蓋姆作為導(dǎo)師別無(wú)選擇，只有

8、親自上陣。他在一個(gè)星期的時(shí)蓋姆作為導(dǎo)師別無(wú)選擇，只有親自上陣。他在一個(gè)星期的時(shí)間里，成功地把石墨薄片做到了只有間里，成功地把石墨薄片做到了只有10層厚。后來(lái)，他與合層厚。后來(lái)，他與合作者康斯坦丁作者康斯坦丁諾沃肖洛夫（諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）更是）更是最終得到了單層的石墨，也就是石墨烯。最終得到了單層的石墨，也就是石墨烯。蓋姆沒(méi)有在博士生面前丟臉，并不是因?yàn)樗褂昧耸裁锤鼮橄冗M(jìn)的儀器。恰恰相反，他用的是最便宜的工具透明膠帶。蓋姆的做法是，用透明膠帶粘在石墨的頂層再撕下來(lái)，這樣就會(huì)有碎片脫落，粘在膠帶上。當(dāng)然這時(shí)碎片仍然是相對(duì)很厚的。蓋姆對(duì)折膠帶，再粘一次，這樣就能

9、得到更薄一些的碎片。然后重復(fù)這個(gè)過(guò)程10到20次，就用這種方式得到了10層厚的石墨薄片。2010年10月，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)安德安德烈烈蓋姆蓋姆和其昔日的弟子康斯坦丁康斯坦丁諾沃肖洛諾沃肖洛夫夫因在石墨烯方面卓越研究而分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，從而使石墨烯在量子計(jì)算、生物計(jì)算、光計(jì)算、碳納米管等硅計(jì)算替代者中，脫穎而出。石墨烯晶體管已展示出優(yōu)點(diǎn)和良好性能，因此石墨烯可能最終會(huì)替代硅。由于成果要經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)，許多諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)都是在獲得成果十幾或幾十年后才頒發(fā)，而石墨烯材料的制備成功才6年時(shí)間，就獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。膠帶制備石墨烯膠帶制備石墨烯 只有想不到的，沒(méi)有做只有想不到的，沒(méi)有做不到的不到的！對(duì)于

10、創(chuàng)新來(lái)說(shuō)，方法就是新的世界，最重要的不是對(duì)于創(chuàng)新來(lái)說(shuō)，方法就是新的世界，最重要的不是知識(shí)，而是思路。知識(shí)，而是思路。郎加明郎加明創(chuàng)新的奧秘創(chuàng)新的奧秘l石墨烯特性石墨烯特性l l結(jié)構(gòu)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定l l韌韌性好性好l l優(yōu)秀的導(dǎo)電性優(yōu)秀的導(dǎo)電性l l最薄最薄l l硬度最高硬度最高l l導(dǎo)熱性最好導(dǎo)熱性最好l l透光性好透光性好制備方法制備方法石墨烯的合成方法主要有兩種：石墨烯的合成方法主要有兩種：機(jī)械方法和化學(xué)方法。機(jī)械方法機(jī)械方法和化學(xué)方法。機(jī)械方法包括微機(jī)械分離法、取向附生法包括微機(jī)械分離法、取向附生法和加熱和加熱SiC的方法的方法；化學(xué)方法是化學(xué)方法是化學(xué)還原法與化學(xué)解理法。化學(xué)還原法與化學(xué)

11、解理法。應(yīng)用前景可做可做“太空電梯太空電梯”纜線纜線 據(jù)科學(xué)家稱，地球上很容易找到石墨原料，而石據(jù)科學(xué)家稱，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱是人類已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，它將擁墨烯堪稱是人類已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，它將擁有眾多令人神往的發(fā)展前景。它不僅可以開(kāi)發(fā)制有眾多令人神往的發(fā)展前景。它不僅可以開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、可以制造出超造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、可以制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至還為堅(jiān)韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯太空電梯”纜線的制纜線的制造打開(kāi)了一扇造打開(kāi)了一扇“阿里巴巴阿里巴巴”之門。美國(guó)研究人員之門。美國(guó)研究人員稱，稱，“太空電梯太空電梯”的最大障礙之一，就是如

12、何制的最大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、長(zhǎng)達(dá)造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、長(zhǎng)達(dá)23000英里英里并且足夠強(qiáng)韌的纜線，美國(guó)科學(xué)家證實(shí)，地球上并且足夠強(qiáng)韌的纜線，美國(guó)科學(xué)家證實(shí)，地球上強(qiáng)度最高的物質(zhì)強(qiáng)度最高的物質(zhì)“石墨烯石墨烯”完全適合用來(lái)制造太完全適合用來(lái)制造太空電梯纜線！空電梯纜線！代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，

13、例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)法將越子設(shè)備，例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)法將越來(lái)越多的信息填充在信號(hào)中，它們被要求使用越來(lái)越多的信息填充在信號(hào)中，它們被要求使用越來(lái)越高的頻率，然而手機(jī)的工作頻率越高，熱量來(lái)越高的頻率，然而手機(jī)的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似乎變由于石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無(wú)限廣闊了。得無(wú)限廣闊了。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未

14、來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。光子傳感器光子傳感器石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場(chǎng)上，這種傳感器是用于檢測(cè)光更大的市場(chǎng)上，這種傳感器是用于檢測(cè)光纖中攜帶的信息的，現(xiàn)在，這個(gè)角色還在纖中攜帶的信息的，現(xiàn)在，這個(gè)角色還在由硅擔(dān)當(dāng)，但硅的時(shí)代似乎就要結(jié)束。去由硅擔(dān)當(dāng)，但硅的時(shí)代似乎就要結(jié)束。去年年10月，月，IBM的一個(gè)研究小組首次披露了的一個(gè)研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測(cè)器，接下來(lái)人他們研制的石墨烯光電探測(cè)器，接下來(lái)人們要期待的就是基于石墨烯的太陽(yáng)能電池們要期待的就是基于石墨烯的太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏了。因?yàn)槭┦?/p>

15、透明的，和液晶顯示屏了。因?yàn)槭┦峭该鞯?，用它制造的電板比其他材料具有更?yōu)良的用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)良的透光性。透光性。其它應(yīng)用其它應(yīng)用石墨烯還可以應(yīng)用于晶體管、觸摸屏、基因測(cè)序石墨烯還可以應(yīng)用于晶體管、觸摸屏、基因測(cè)序等領(lǐng)域，同時(shí)有望幫助物理學(xué)家在量子物理學(xué)研等領(lǐng)域，同時(shí)有望幫助物理學(xué)家在量子物理學(xué)研究領(lǐng)域取得新突破究領(lǐng)域取得新突破。我國(guó)。我國(guó)科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無(wú)法生長(zhǎng)胞在石墨烯上無(wú)法生長(zhǎng),而人類細(xì)胞卻不會(huì)受損。而人類細(xì)胞卻不會(huì)受損。利用這一點(diǎn)石墨烯可以用來(lái)做繃帶利用這一點(diǎn)石墨烯可以用來(lái)做繃帶,食品包裝甚至食品包裝甚至抗菌抗菌T恤；用石墨烯做的光

16、電化學(xué)電池可以取代恤；用石墨烯做的光電化學(xué)電池可以取代基于金屬的有機(jī)發(fā)光二極管基于金屬的有機(jī)發(fā)光二極管,因石墨烯還可以取代因石墨烯還可以取代燈具的傳統(tǒng)金屬石墨電極燈具的傳統(tǒng)金屬石墨電極,使之更易于回收。這種使之更易于回收。這種物質(zhì)不僅可以用來(lái)開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型物質(zhì)不僅可以用來(lái)開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能讓科飛機(jī)材料、制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。萬(wàn)英里長(zhǎng)太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。如今獲得大面積連續(xù)石墨烯膜已不是難事，但所的結(jié)構(gòu)并不是一個(gè)完整的單晶。對(duì)石墨烯形核機(jī)制與生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的深入理解是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵，也是當(dāng)前及未來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。對(duì)石墨烯層數(shù)的精確控制是另一個(gè)亟待攻破的難題，需要材料學(xué)家、化學(xué)家和物理學(xué)家（將來(lái)的同學(xué)們）同時(shí)為之而努力。The End歡送演講人歡送演講人！謝謝！謝謝！