光明力量exa（石墨烯配“新材料之王”称号）

出品：科普中国

制做：Dumuzhou 中国科学院半导体所

总监制：中科院电子计算机网络中心

石墨烯作为一种纳米复合材料常常会在新闻上，他们被新闻媒体称之为"新型材料之王"，这也是沽名钓誉？或是确有其人？

这类"新型材料"好像与我们的距离十分漫长。而事实上，它却已经发生在日常生活中，只是没被发现而已。例如石墨烯防护口罩早已问世，并且其防雾霾实际效果远远地好于目前市面上的防护口罩。

△不一样材料口罩的作用（图片来自：https://m.tb.cn/h.e047XTF）

石墨烯拥有优异的特性

1、是非常好的阻隔原材料

石墨烯是一种很高密度的原材料，因为原子和原子间的距离非常近，仅有0.142nm，而且它的键比较短。换句话说，包含氡气、氮气那么小的分子结构、原子都没办法穿过它。所以它是一种很好的阻隔原材料，比表面可达到2630平米每克，总面积特别大。

△透射电镜中的石墨烯构造（图片出处http://polymer.zju.edu.cn/gc/index.php?c=Index&a=news_detail&catid=173&id=8687）

我们能运用石墨烯的特性做一些过虑的原材料，在墙上开一些我们可以操纵的尺寸小孔，就能分离出来不一样气体或者液态。例如海面里边的盐的分离出来跟水、气分离出来，空气中氧气跟氢气的分离出来或是各种各样有机废气间的分离出来。

△照片展示石墨烯如何过滤水里的盐（图片出处：http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=40935）

2、结构力学抗拉强度等同于钢材的一百倍

一种广泛认为的化学结构式见下图：

△图片出处：http://www.sohu.com/a/257080200_100193435

我们在学校里学的一直是：二维材料那样一层原子构成的构造在热学上有不稳定，可能塌陷。尽管在二维方面有一个极强的离子键联接，但在层和层中间是一种很较弱的离子键（这一离子键叫分子间作用力是一种弱连接）。如同一张纸有两种足球场地这么大，但是它自己不能支撑点自身，否则放到哪些上边才可以。

可是石墨烯不一样，石墨烯的力学性质相当地强，它结构力学抗拉强度做到130GPa，等同于钢材的一百倍。根据理论计算可获得，假如石墨烯高效的联接薄厚可以达到一毫米，它乃至可以扛起一头成年人大象的重量。

△图片出处：http://www.xiyujundi.com/news/hangye/63.html

石墨烯的力学性质为什么这么强，是由于在每一个碳周边有三个"隔壁邻居"，这三个"隔壁邻居"所形成的碳的键十分短、特别强，支撑点了石墨烯高强度的力学性质。

△图片出处：https://www.soogif.com/

3、石墨烯的导电性能十分优异

理论上来说，石墨烯牛逼的特性还不止这般，它电力学特性同样也优异，电子迁移率可达到200,000cm2/Vs，是硅的一百倍。

△图片出处：https://www.smzdm.com/p/11444979/

什么叫电子迁移率呢？也就是说电子器件在这些材料中可以跑的能多快。一个原材料的导电率由两件事情确定，一个是电子器件在房间里跑能多快，第二是有多少个电子器件在房间里跑。

晶格结构授予石墨烯出色的导电性能，石墨烯的电子结构能通过最近邻法紧拘束实体模型获得，石墨烯的每一企业晶格常数有 2 个碳原子，导致其在每一个布里渊区有两种等额的锥型相交点。

△石墨烯能带结构（图片出处：wiki百科）

空化（又被称为电洞，指化学键上外流一个电子，最终在化学键上留有位置的情况。）在各种相交点周边物理的个人行为与狄拉克方程所描绘的量子论颗粒类似，因此石墨烯里的电子和空穴被称作「狄拉克费米子」，相交点称之为「狄拉克点」。

在狄拉克点附近石墨烯能量为零，故从这个含义中说它带隙为零。

△图片出处：https://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/ic/index_03_02_03.html

但是是因为石墨烯的零能带隙,( 零带隙就是指带隙为零。带隙是导带的低点和费米能级的最高处能量差值，带隙越多，电子器件由费米能级被培养到导带会难，本征载流子浓度就会越低，导电率就会越低。)，因此它并不是半导体材料，而归属于金属性质，半导体器件的带隙总宽全是大于零的，实际上石墨烯不久的将来微电子学行业有非常大的应用价值，但其零带隙的特征限制了石墨烯在半导体材料应用领域。那样做电子元器件还是有一定的艰难。现阶段，科学家已经解决这种零可带导致问题。

石墨烯优异的特性怎么获得？

这种情况我们能拓展为一个原材料高质量的特性怎么获得？

我觉得有两方面：第一，从是什么元素，第二，这种原素是如何排列。

举例说明：例如同是碳，为何裸钻、高纯石墨值差别那么大？

△金钢石结（图片出处：http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpdt/201901/t20190116_5230500.html）

钻石是地球上的已经知道最坚固的化学物质，它颜值超高，价钱太贵，它全透明、硬实、绝缘层。反过来，石墨是哪些？它是黑色、 绵软的、导电性的，二种原材料截然相反，但是它们是切切实实由碳构成的原材料。裸钻中每一个碳原子都和别的四個碳原子以离子键相互连接，邻近原子间隔为 0.154 nm，这一长短称之为离子键长。邻近的离子键成 109.5多度夾角，称之为离子键角。全部离子键强度都相同。这一构造看上去就像一个非常大的分子结构。

△高纯石墨构造（图片出处：http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpdt/201901/t20190116_5230500.html）

高纯石墨与金刚石是C的两大同素异形组合。并且高纯石墨体系中有化学键、分子键等，因此也不遵照最严密沉积基本原理。石墨是一个最典型的层状结构，层内每一个C与周边三个C以sp2杂化轨道产生化学键，还有一个p轨道未参加价键，这种未参加价键的p轨道以垂直在层是方位平行面排序，产生一个大π键（等同于金属键），固层也有分子键。

大家可以看到，在图上钻石是一个三维结构，而高纯石墨只不过是在二维方面有一个极强的离子键联接，在层和层中间是一种很较弱的离子键联接（叫分子间作用力），这就导致了他们属性的非常大的不一样。

石墨烯光帆乃至可以把地球上看押太阳系行星石墨烯具有做为出色的集成电路芯片电子元器件理想的特性。上文早已提及它具有强的载子电子密度及其低噪音，他们被作为在场效应晶体管的断面。

依据2010年1月的一份汇报《European collaboration breakthrough in developing graphene》中，对SiC外延生长石墨烯的质与量合适大批量生产的集成电路芯片(集成电路芯片)。

此外石墨烯充电电池也具备储能技术高，充电快的优势。西班牙的一家工业生产经营规模生产制造石墨烯的企业协同科尔瓦多高校协作研究出全世界第一个石墨烯聚合材料充电电池，其电量是现在市场最好是新产品的3倍，用其充电电池给予电力工程的电瓶车顶多能行车1000千米，并且电池充电时间不上8min。

除此之外，石墨烯还有一些隐性的运用。例如独特的二维结构让它在控制器行业具备明朗的应用价值。非常大的面积使它对于周围环境特别敏感。即便是一个汽体分子结构吸咐或释放出来都能够检测出。此外，独特构形的石墨烯在受到光后一瞬间也会产生大电子流，其特别适合用以外太空领域内的太阳帆（2016年，由著名投资人尤里-米尔纳支助，然后由史蒂芬-霍金等带头开启了一项脑洞大开的太空计划，这个计划被称之为Starshot方案。致力于用特种材料做成一个非常大的光帆，并且以光量子撞击能够产生稳定动力原理一直对宇宙飞船开展加快，最后使之达到光速20%，让载人航天飞船只需21年就可抵达间距地球上4.24亿光年的恒星系半人马座阿尔法星。科研人员还表示：仅需一张理想中足够的光帆，乃至可以把地球上看押太阳系行星）。

论文参考文献：

[1]European collaboration breakthrough in developing graphene. NPL. 2010-01-19[2010-02-21].

[2]Imaging and Dynamics of Light Atoms and Molecules on Graphene. Nature. 2008, 454: 319. doi:10.1038/nature07094