石墨烯及获诺奖简介
2016-10-11


    碳元素具有多种同素异形体,是迄今人类发现的唯一种可以从零维到三维都稳定存在的物质。其中,重要的同素异形体包括零维的富勒烯,一维的碳纳米管,二维的石墨烯,三维的石墨和金刚石等。它们几乎拥有地球上所有物质所具有的性质。
    石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。它是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,导热系数高达5300 W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体(monocrystalline silicon)高,而电阻率只约10-6 Ω·cm,比铜或银更低,适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。


2010年,英国曼彻斯特大学科学家安德烈·杰姆(Andre Geim)和克斯特亚·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)被授予诺贝尔物理学奖,以表彰他们在二维石墨烯材料方面的开创性实验。

颁奖词节选:
我们对石墨烯了解已有很长一段时间了,早在1947年菲利普•华莱士便计算了石墨烯中电子运动情况,然而很少有科学家认为我们可以分离出单层石墨烯并测量其中的电子运动状况。因此,今年的物理学奖更显得令人惊讶,安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫借助特殊的方法成功分离出薄层石墨烯,并在不同显微镜的帮助下发现有些片层是单原子级厚度。他们在石墨烯方面的“突破性实验”使得利用石墨烯生产新物质和新型电子产品成为可能。

石墨烯发展历史:
石墨烯出现在实验室中是在2004年,当时,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片,然后把薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷,经过5年的发展,人们发现,把石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。 因此,两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。
石墨烯特性及潜在应用:
石墨烯作为一种新型的二维纳米材料,是目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。自2004年发现以来,由于其具有许多特殊性质受到广泛的关注,被称为“黑金”,“新材料之王”。

由于其特殊的纳米结构以及优异的物理化学性能而在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域展现出巨大的应用潜能,引起了科学界和产业界的高度关注。世界各国纷纷将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向,以期在由石墨烯引发的新一轮产业革命中占据主动和先机。