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【你问我答】石墨烯大讲堂(2)
1 石墨烯的电学特性如何?
石墨烯具有优异的导电性,这得益于其稳定的晶格结构。对没有缺陷的石墨烯来说,每个碳原子均以sp2杂化,并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键,π电子可以自由移动。电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。此外,石墨烯中的电子是没有质量的,不管带有多大的能量,都以恒定的速率运动,速率约为光子运动速率的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度,因此石墨烯有着超强的导电性。

1.1金属的导电机理是什么?
金属是金属阳离子以密堆积的形式“浸没”在电子的海洋里,金属是通过自由电子的定向移动来导电的。但金属键是不牢固的,例如金属的延展性就是原子层发生平移的结果。所以,金属常常会出现空穴或杂原子等晶体缺陷,破坏了金属的规则的晶体结构,当电子经过这些缺陷时,就容易发生散射等现象,降低了电子定向移动的速度,影响了导电性。

1.2为什么石墨烯的结构比较稳定?
石墨烯中碳原子均由共价键相连,共价键的键能是相对比较高的,相对于分子间作用力、氢键、金属键等,共价键不易被破坏,其C-C键的强度要高于金刚石的单键,因此比金刚石更加稳定。

1.3为什么石墨烯中的电子没有质量?
石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料,电子在其二维结构中运动时,其能量和动量之间满足线性关系,因而电子或空穴的有效质量为零,这里的电子或空穴是相对论粒子,可以用自旋为1/2粒子的狄拉克方程来描述(而不是有着有效质量的非相对论薛定谔方程)。

1.4如何描述石墨烯的能带结构?
通常用狄拉克锥(Dirac cone)描述石墨烯的能带结构。Dirac cone是一种独特的能带结构,其能带在分离填充和未填充电子的费米能级处呈上下对顶的圆锥形。这种能带结构满足描述相对论粒子能量-动量关系的狄拉克方程,因此被称为狄拉克锥。



1.5电子迁移率  硅 vs. 石墨烯
硅的电子迁移率为1400cm/(V.s),石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm/(V.s),是硅的100倍。在10~100K范围内,石墨烯中的电子迁移率几乎与温度无关,说明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散射。如果提高石墨烯的完整性,迁移率可以增加到200000cm/(V.s)。

1.6石墨烯中电子的相互作用强烈吗?
科学家借助美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源(ALS)”电子同步加速器观测发现,石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈,而且电子和电子之间也有很强的相互作用。

2.石墨烯的力学特性如何?
石墨本身几乎是最软的矿物质,但制备成只有一层碳原子厚度的石墨烯时,“性格”会发生极大的变化。石墨烯的抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa,比钻石还坚硬,断裂强度比世界上最好的钢铁还要高上200倍。据测试,它们每100nm距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9uN。这一结果相当于要施加55N的压力才能使1m长的石墨烯断裂。如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约2t重的物品。

2.1 为什么石墨烯比较硬?
  碳原子核的绕核电子只是在碳原子核的径方向面上存在着和运动着,碳原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的,就是说,石墨烯表面上立的或排列的都是原子核,如果外部物质与它撞击,撞击的不是绕核电子而是直接撞击在原子核上,所以,石墨烯表面非常硬。

2.2 石墨烯是最坚硬的物质吗?
 石墨烯是世界上最硬的二维材料,这种说法的正确性限于2015年二维硼材料--硼烯被合成之前。被称为石墨烯“兄弟”的硼烯在某个方向上比石墨烯的强度还要高,也是一种神奇的纳米材料。



2.3 石墨烯如此坚硬,韧性怎么样?
石墨烯的断裂强度非常高,但又有很好的韧性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克可以承受一只猫的重量。

3.石墨烯的光学特性如何?
石墨烯呈现单薄片状态,光子虽然不能穿透碳原子核,但可以穿透碳原子核之间的广大的空间,所以,石墨烯是一种几乎完全透明的物质。当几个石墨烯分子层叠加在一起时,由于碳原子核排列有序,光很容易穿透有序结构中的间隙呈现透明状态。

3.1石墨烯的透光率有多高?
理论和实验结果表明,单层石墨烯对可见光的透过率达到97.7%,并且透过率与石墨烯的层数呈线性递减关系。

3.2 石墨烯对光的反射率有多高?
在可见光区域,单层石墨烯的反射率要小于0.1%,10层石墨烯的反射率也仅有2%。

3.3 石墨烯的饱和吸收机理是什么?
强光照射到石墨烯上时,石墨烯的吸收不再线性,而是非线性的依赖光强,这个效应称为光的可饱和吸收。给予强烈的可见光或近红外线激发,因为石墨烯的整体光波吸收和零能隙性质,石墨烯很容易就变得饱和。

4 石墨烯的热学特性如何?
石墨烯的理论比表面积可达2630m^2/g,室温热导率约为5300 W/(m·K),高于碳纳米管和金刚石,约是铜铝等金属的数十倍。
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