未来二十年石墨烯将成为材料之王

2010年诺贝尔物理学奖授予给了曼彻斯特大学的Geim和Novoselov,以奖励他们对二维材料石墨烯的开拓性研究。细心的读者会发现获奖理由并未使用 发现 意味的字眼,这是因为石墨烯究竟是谁发现的仍存在争议。自从日本NEC公司的Iijima于1991年发表了那篇触发碳纳米管研究的里程碑式的论文,人们对于碳纳米管的发现也有过类似的争论。相对而言,Curl爵士,Kroto和Smalley 因发现富勒烯而获得1996年的诺贝尔化学奖,则争议不大。

国家主席习近平亲赴江苏高新技术产业研究院,调研石墨烯研发及参观产品展示,仔细查看产品询问细节,并对石墨烯产业寄予厚望。

虽然佐治亚理工大学的de Heer 指出诺贝尔奖评审委员会在科学背景资料方面存在大量事实错误,但不可否认的是,Novoselov等发表于2004年、2005年的论文确实促使石墨烯的研究风靡全球。由曼彻斯特的研究组发展的胶带机械剥离法制备石墨烯具有简单、高效和廉价的特性,从而迅速被世界各地的研究组所采用。正是这种简便性赋予了石墨烯研究足够的动力,使其以令人瞩目的速度发展。虽然这种技术早已应用于裂解石墨的扫描隧道显微镜研究,但是从未用于石墨烯优良电学性质的研究。

对石墨烯的狂热也引发了人们对其他二维材料如六方氮化硼、硅烯、过渡金属氧化物、过渡金属二硫化物、石墨烷以及氟化石墨烯的兴趣。石墨烯的应用研究正在兴起,包括低成本海水淡化、高强度复合承重材料、高频晶体管、太阳能电池、传感器、锂离子电池和超级电容器等诸多方面。

de Heer 关于石墨烯的开拓性工作应该得到认可,他的研究组独立地利用碳化硅合成了石墨烯,并完成了单层石墨烯电学性质的测定。在2004年,Novoselov等的工作发表之前,de Heer 就已经意识到石墨烯将会带来奇迹。他的研究组报道了超薄外延石墨薄膜的二维电子气特性,并开启了一条通向大规模制备石墨烯纳米电子器件的道路。2005年,哥伦比亚大学Kim的研究组发表了对石墨烯量子霍尔效应和Berry 相的观测结果并对此进行进一步研究,在发现石墨烯令人惊异的电子学特性上作出了诸多重要的贡献。他们制备石墨烯的方法和Novoselov在2004年所报道的类似。美国德州大学奥斯汀分校的Ruoff 教授也一直致力于发展化学气相沉积法制备石墨烯,该方法采用金属为催化剂,这对石墨烯的商业价值至关重要。石墨烯研究领域有非常多的领军人物,在此无法一一列举。在这里,对所有在石墨烯研究上作出贡献、获得广泛科学影响并帮助建立和完善各个领域的年轻的或资深的学者表示感谢。

石墨烯领域的蓬勃发展离不开碳纳米管和富勒烯领域的学者,是他们将自己的兴趣投向了这个新的领域。表征石墨烯的仪器和方法通常与碳纳米管的类似,如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子器件的构筑、衍射和拉曼光谱。这些方法快速提升了我们对于这种新型二维晶体特性的理解,或许会发现石墨烯的新特性。

石墨烯是构筑富勒烯、碳纳米管和石墨结构的基本单元,但是它在最后才被研究,考虑到它分离的简易性,这着实令人惊异。

许多不从事石墨烯研究的人质疑它是否被过分夸大了,类似的质疑也曾发生在富勒烯(1985年)和碳纳米管(1991年)的研究上,因为它们缺乏实际应用,并且未对人们的生活带来改变。富勒烯、碳纳米管和石墨烯之间最大的差异是在制备方面。除了C60和C70,大量制备高纯富勒烯仍颇具挑战性。富勒烯的一些最有趣的和最有用的特性需要靠掺杂或者添加分子官能团来实现,但是这也大大增加了高效液相色谱分离的时间,导致其价格昂贵。与石棉纤维类似,吸入碳纳米管也对人体有害,因此备受批评。学者需要开展更多的研究以确认碳纳米管中残留金属催化剂的毒性。尽管碳纳米管在单器件水平上表现出优异的性能,但是碳纳米管还存在手性混杂的问题,这使其同时具有半导体和金属的电子传输行为,从而严重限制了其在电子器件方面的应用。碳纳米管作为一维纳米线的最佳代表,对其的深入研究仍将继续。石墨烯制备上的挑战似乎已经解决,采用碳化硅和化学气相沉积法制备的石墨烯已被证实可以满足电学应用的要求,而化学剥离法制备的石墨烯则适用于基于溶液过程的铸件喷涂和聚合物共混等方面。为了使石墨烯能更有效地投入应用,必须使其附着于其他材料的表面,尤其是半导体纳米材料。在不久的将来,研究者们极有可能可以找到廉价制备高质量石墨烯的方法。也许正是这个原因使得石墨烯先于碳纳米管获得了诺贝尔奖,尽管碳纳米管也显示出了十分优良的电学和力学性能,并牢牢吸引了世界上众多学者的关注长达十多年。

专家视点

作为由sp2杂化碳原子网状连接而成的最薄的二维原子晶体材料,石墨烯拥有无与伦比的特性。石墨烯中的载流子迁移率远高于传统的硅材料,室温下本征迁移率高达200000cm2/(V s),而典型的硅场效应晶体管的电子迁移率仅约1000cm2/(V s)。石墨烯拥有已知材料中最高的热导率[约5000W/(m K)]、极高的杨氏模量(1.06TPa)和断裂应力(约130GPa),以及巨大的比表面积(2630m2/g),加之其良好的柔韧性和透光性,使其成为过去十年的超级明星材料。石墨烯在高性能复合材料、柔性显示与柔性电子器件、电化学储能、光通信、超高频电子器件、光电检测与传感器件等诸多领域显示出广阔的应用前景,受到国际上的广泛重视。

中国是石墨烯研究大国,拥有一支庞大的石墨烯研究队伍。目前,中国科学家发表的学术论文总数已超过美国,跃居世界第一位。中国在石墨烯的产业化研发方面也有可圈可点的表现,在锂离子电池、手机触摸屏等领域已进入量产阶段。毋庸置疑,石墨烯研究已经逐渐走出象牙塔,进入产业化阶段。在未来二十年间,石墨烯制品将陆续走进人们的生活。

发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
表情:
用户名: 验证码:点击我更换图片