单层石墨烯

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       单层石墨烯为单一碳原子层所组成的二维平面蜂巢状石墨,各碳原子之间的sp2共价键造就成世上最薄却最坚硬的材料(断裂强度约为钢的200倍),它几乎是完全透明的,只吸收2.3 %的光;热传导系数高达5300 W/m.K,高于碳纳米管和金刚石;电阻率只约0.96×10-6 Ω.cm,低于铜和银,为目前世上电阻率最小的材料;石墨烯具有相当大的比表面积(2630 m2/g)。石墨烯的崭新特性,是在没有任何掺杂的情况下,费米能级位于导带与价带间连接的点,在这个点上的电子有效质量等于零,载子表现为零质量之迪拉克费米子,具有极优异的载子传导特性,可承载108A/cm2的电流密度,以及高达200,000 cm2/V.s的载子迁移率(高于碳纳米管和硅晶体),速度是光速的1/300;在没有载子传输的情况下,石墨烯仍有一个最小的导电率σ=e2/h,石墨烯的电阻值会随着外加垂值电场的变化而改变,称为双极场效应;不遵守量子力学中的波恩-奥本海姆近似,并且能够在常温下观察到的量子霍尔效应。它的室温霍尔效应使原有的温度范围扩大了10倍,显示了独特的载流子特性和优异的电学质量。石墨烯独特的电子结构还为粒子物理中不易观察到的相对论量子电动力学效应的验证提供了更为方便的手段。

       了解了石墨烯的这些性能,相信你能找到合适的应用领域。或许“芝麻开门”的主角就是你。

已知的部分应用实例:

单分子气体侦测

       石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有很好的应用前景。石墨烯巨大的表面积使其对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。可分为直接检测和间接检测。通过测量霍尔效应方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时,由于石墨烯具有高电导率和低噪声的特点,能够侦测微小的电阻变化,吸附位置会发生电阻的局域变化。另外,通过检测分析频谱可以知道吸附的气体分子种类。等等

导热材料/热界面材料

       石墨烯的热传导系数高。垂直排列功能化多层石墨烯三维立体结构在热界面材料中的应用已见报道。其具有超高的等效热导率和超低界面热阻。

透明导电电极

       石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏幕、液晶显示器、有机光伏电池、有机发光二极管等等,都需要良好的透明导电材料。特别是,石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡(ITO)优良。避免了氧化铟锡脆度较高,比较容易损毁、也难以柔性化的缺点。石墨烯有望成为理想的透明导电膜。原因是它的载流子迁移率非常高,即使载流子密度较低,导电性也不容易下降。而载流子密度较低的话,会比较容易穿过更大波长范围的光。相当于单个原子的超薄厚度有助于提高透明性。不仅是可见光,石墨烯还可透过大部分红外线,这对于还希望利用红外线来发电的太阳能电池而言,能大幅提高太阳能电池的转化效率,成为划时代的透明导电膜。以韩国三星公司为代表的企业已经开始量产新一代超高清晰度的石墨烯显示、触摸屏。

场发射源及其真空电子器件   

       早在2002年,垂直于基底表面的石墨烯纳米片膜就被成功制备出来。是非常优良场致发射材料。现在性能更好的单片石墨烯的场致电子发射效应装置也已经开发成功。

超级电容器

       由于石墨烯具有很高的比表面积,可用于超级电容器的导电电极。石墨烯超级电容器的储存能量密度大于现有的电容器。比功率远大于现有体系。目前国内外在这方面已经走到开始小批量试生产阶段。公司在超级电容器领域高比表面积石墨烯材料,基于石墨烯的膺电容材料方面做了一些工作,可以配合相关应用企业提供相应的产品和解决方案。

石墨烯复合材料

       通过大量制备的石墨粉晶体,可以大量低成本制备石墨烯复合材料,这为其大量应用提供了可能。

锂电池中的应用

       锂离子电池由于其单位重量的高能存储容量和比功率是正在迅速发展的电池市场。为了满足电动车和下一代消费电子能量储存的要求,需要进一步改进性能。本公司与国内外公司合作,正在用石墨烯改进现有电池性能,开发下一代锂离子电池技术。石墨烯作为电极材料具有独特的优势—强度高、比表面大而且高导电。这些独特的属性结合特别设计的化学改性石墨烯以及新颖的多孔结构提升了锂离子电池的能量储存,并使以前技术上难以实现的方案成为现实。开发的石墨烯-硫阴极展示了非常高的容量(超过900mAh/g),高的电流密度,好的容量,石墨烯作为阴极材料的锂-空气电池有更高的存储容量(15000mAh/g)。我们正致力于下一代锂离子电池的石墨烯电极解决方案,研发中的基于石墨烯的新型电池材料将会在面对现代电子和电动车辆系统要求的降低高能存储单位成本、提高转换效率,和延长循环寿命方面扮演重要角色。

正在开发、待开发应用:

       石墨烯是一种目前正在开发中,最令人兴奋的新材料。它给超级电容器、电池、触摸屏、逻辑元件、传感器、显示屏、复合材料等等带来最高的性能,使它们的电学、热学和力学性能大大提高。还有许多性质有待认识,大量的应用有待开发。

       石墨烯是组建纳米电子器件的最佳材料,用它制成的器件更小,消耗的能量更低,电子传输速度却更快。由于其高的电子传输速度和优异的电子传输特性(无散射),石墨烯可以制作高频晶体管(高至THz )。石墨烯结构在纳米尺度稳定,甚至只有一个六角环存在的情况下仍稳定存在,这对开发分子级电子器件具有重要的意义。利用电子束印刷刻蚀技术制备的单电子组件可能突破传统电子技术的极限,在互补金属氧化物半导体(CMOS) 技术、内存和传感器等领域有很大应用前景,有望为发展超高速计算机芯片带来突破,也会对医药科技有极大的促进作用。

       单层石墨烯薄膜还可用于制造分解气体的显微滤网。在医药研究方面,这种只有一个原子厚度的薄膜可用来支撑分子,供电子显微镜进行观察和分析,对医学界研发新的医疗技术将有极大帮助。石墨烯在检测气体时具有很低的噪声信号,可精确地探测单个气体分子,这在化学传感器和分子探针方面有潜在的应用前景。  

石墨烯内存在很强的电子声子耦合。这种现象预示超导现象的出现。已经有人用石墨烯连接两个超导电极,通过栅电极控制电流密度研究约瑟夫森效应,观察到有超电流通过,而且即使在零电荷密度时, 也同样有超电流。说明石墨烯具有超导性,并且比C60材料和碳纳米管的超导性能更好,超导温度更高。

       多种制造技术正用于生产石墨烯,每一种都有自己的优点和缺点包括不同规模、不同的成本结构和不同的石墨烯质量。还原氧化石墨烯是一个有前途的低成本的合成石墨烯的方法,它提供了一个透明导电膜和柔性电子产品的可行路线。它利用氧化反应在石墨层的碳原子上引入官能团,使石墨的层间距增大,从而削弱其层间相互作用,然后通过超声波或快速膨胀将氧化石墨层层分离得到氧化石墨烯,然而氧化石墨烯并非真正的石墨烯,最后通过化学还原或高温还原等方法去除含氧官能团得到石墨烯。该方法是目前可以大量制备石墨烯的有效方法。

       传统氧化还原法生产石墨烯过程中,释放含氧官能团不可避免留下的空缺位和拓扑缺陷,其最致命的缺点就是导电度极差和缺陷多,阻碍了石墨烯的实际应用。,我们采用实时修理新生儿碳自由基产生的空缺位的热分解过程,得到单层石墨烯的导电率超过传统方法的大约六倍至350- 410S/cm(同时保留> 96%的透明度)。x射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱表明,导电率增强可以归因于形成额外的sp2 C结构。我们的方法提供了大批量、廉价、有效的生产高导电透明石墨烯的工业化途径。

 

技术数据:

单层比率:>80%

尺寸:0.5—2μm

碳含量:>97%

氧含量:≤2.1%

比表面积:400-1000M2/g

灰分:≤0.1

水分:≤2.0%

备注:比表面积>1000 M2/g 需定制。

 



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