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差距究竟有多大系列E之十三:石墨烯基本性亚博

来源:未知   作者:admin    发布时间: 2022-12-18 09:17   浏览:

差距究竟有多大系列E之十三:石墨烯基本性亚博

  亚博yabovip888网页版前面提到了石墨烯基本性能怎么计算出来的,这里再补充些石墨烯「缺陷」对其磁性、电性、⼒学、热学和化学性五个⽅⾯进⾏论述。

  理论上的⽆缺陷理想⽯墨烯本⾝并非磁性材料,但是具有缺陷的⽯墨烯却在磁场中表现出了响应信号,这极⼤的引起了科学家们的兴趣。Wang Yan等⼈研究了氧化⽯墨烯及由其⾼温还原制备的⽯墨烯材料的磁滞曲线,发现与氧化⽯墨烯不同,在惰性⽓氛下,400°C 和 600°C 还原的氧化⽯墨烯于室温下具有铁磁性。研究认为:这样的铁磁性是由⾼温状态下,氧化⽯墨烯脱除含氧官能团后形成的本征缺陷导致的。氧化⽯墨烯在⾼温还原时会出现新的本征缺陷已经被⼀些研究报道,缺陷的出现会导致⽯墨烯具有铁磁性也有研究发表。但⾼温还原具体会出现何种本征缺陷,这些缺陷⼜怎么具体影响⽯墨烯磁性质还有待研究。Wang Yan等⼈的研究中也发现:800°C还原的氧化⽯墨烯室温下不具有铁磁性,不满⾜400°C和600°C还原的氧化⽯墨烯的磁性规律。Sepioni等⼈的研究更是明确的指出:⽯墨烯在200-300K的温度范围内没有铁磁性。仔细比较过程,不难发现,Wang Yan等⼈⽤作测试的⽯墨烯使⽤的⼯艺路线是还原氧化⽯墨烯,显然,两种不同路线制备的⽯墨烯很可能在⼆维尺度、三维厚度,特别是晶缺陷的类型上不具有可比性。

  ⽯墨烯缺陷的出现,改变了原⼦间价键的键长,同时改变了部分碳原⼦杂化轨道的类型,键长和轨道的变化使得⽯墨烯缺陷区域的电特性发⽣变化。⽯墨烯「点缺陷」和「单空⽳缺陷」在⽯墨烯表⾯形成了电⼦波散射中⼼,这样的中⼼影响了电⼦的传递,最终使得⽯墨烯导电性下降。在⽬前制备⽯墨烯的众多⽅法中,点缺陷和单空⽳缺陷往往⽆法避免,这就解释了⽬前制备出的⽯墨烯导电性与理想状态还有距离的原因,如何减少⽯墨烯本征缺陷以提⾼其导电性是个明确方向。相比较本征缺陷对⽯墨烯电性质的影响,外原⼦引⼊缺陷对⽯墨烯电性质的影响表现的更加复杂和有趣。研究表明:氧化⽯墨烯不是导电材料,其⽅块电阻率可以达到10^{12}Ω甚⾄更⾼。推测:氧原⼦及含氧官能团引⼊到⽯墨烯后形成的缺陷应使⽯墨烯导电性下降。但是,其他理论研究却指出:⽯墨烯上的氧原⼦缺陷如 C-O-C 缺陷,如果位置合理,则可能让⽯墨烯依旧保持⾦属导电特性。与氧原⼦引⼊缺陷不同,⼤量研究指出氮、硼原⼦形成的⽯墨烯⾯内外原⼦取代缺陷可以提⾼⽯墨烯导电性。Biel等⼈的研究表明:氮原⼦和硼原⼦在⽯墨烯上引起了共振散射效应,进⽽影响了⽯墨烯的电学性质,进⼀步研究还表明:氮原⼦和硼原⼦的位置,⽯墨烯的⼆维宽度及⾃⾝的对称性,将影响由于氮、硼原⼦引⼊造成的⽯墨烯电学特性变化的最终结果。

  ⽯墨烯的理论杨⽒模量可以达到0.7-1.0TPa,但是缺陷会影响⽯墨烯模量,不同的缺陷影响也不同。Hao Feng等⼈研究了⽯墨烯点缺陷和单空⽳缺陷对于其⼒学强度的影响,发现随着两种缺陷浓度的增多,⽯墨烯杨⽒模量下降。其中,单空⽳缺陷浓度与杨⽒模量变化百分率(含缺陷⽯墨烯杨⽒模量/⽆缺陷⽯墨烯杨⽒模量)成线性关系;点缺陷浓度与杨⽒模量变化率缺陷关系表现为非线性,且随着浓度增⼤,杨⽒模量变化率逐渐表现出平台,即杨⽒模量后期对点缺陷浓度不敏感。针对⽯墨烯外引⼊缺陷对于其⼒学性质的影响也在开展。研究发现,具有 C-O-C 杂原⼦缺陷的⽯墨烯,杨⽒模量相比较⽆缺陷⽯墨烯下降 42.4%,但抗拉强度却基本没有变化,这样的现象是由于氧原⼦的引⼊,使⽯墨烯片层发⽣弯曲,⽯墨烯在受⼒后形变加⼤导致的;但是⽯墨烯的抗拉强度,依靠于 C-C 键的强度,具有 C-O-C 缺陷的⽯墨烯,与氧连接的两个碳原⼦本⾝依然是互相连接的,因此即使 C-O-C 缺陷存在,⽯墨烯抗拉强度变化也较⼩。另有研究表明:即使C-O-C缺陷在⽯墨烯上按线个,⽯墨烯断裂时的抗拉强度也只是从116GPa变化为97GPa,这样的变化说明C-O-C缺陷对于⽯墨烯抗拉强度影响很⼩,但是,如果种类含氧官能团(如羟基等)共同存在于⽯墨烯上,即使⾼温还原⾄1,050°C,由于含氧官能团的脱除造成的新本征缺陷的出现,⽯墨烯的抗拉强度也会受到很⼤影响,模拟计算表明这时⽯墨烯抗拉强度为63GPa。总结上⾯的研究,不难发现,⽯墨烯本征缺陷,特别是「空⽳缺陷」,对⽯墨烯抗拉强度的影响比外引⼊缺陷⼤,⽽外引⼊缺陷则更多的只是影响⽯墨烯的形变模量。

  5,300W/mK,缺陷的存在,将使热导率发⽣改变。例如,如果⽯墨烯中存在「点缺陷」或者「单空⽳缺陷」,⽯墨烯热导率将随着缺陷浓度的变⼤⽽迅速变⼩为⽆缺陷时的 20%。有趣的是,当缺陷浓度进⼀步提⾼时,热导率减⼩速度趋缓。对这种变化规律的解释是:⽯墨烯缺陷浓度低时,缺陷成为热流散射中⼼,这些位置消弱了⽯墨烯的导热能⼒,当缺陷逐渐增多时,缺陷彼此并域,散射中⼼也彼此交叉,使得散射中⼼数⽬的增长当量减少,⽯墨烯导热能⼒的减弱趋于缓慢。通过分⼦动⼒学模拟的⼿段,也可以研究⽯墨烯外引⼊缺陷对热导率的影响。例如,研究发现:当⽯墨烯上某些碳原⼦变为sp杂化,假设这样的碳原⼦仍然保持和其他三个碳原⼦相连,另外⼀个价键和氢原⼦相连,那么这种氢原⼦导致的⾯外杂原⼦引⼊缺陷将使得⽯墨烯热导率减⼩。即使向⽯墨烯中2.5%的碳原⼦引⼊这种缺陷,亚博yabovip888网页版登录⽯墨烯的热导率也将减⼩40%,进⼀步研究还表明,随机散乱分布的氢原⼦缺陷,比集中存在于某⼀区域时对⽯墨烯热导率危害⼤。

  对于⽯墨烯缺陷与化学性质关系的研究,多集中于⽯墨烯外引⼊缺陷,即使含有本征缺陷,也像⽯墨⼀样,是化学惰性的,因此不易分散,也不易进⾏各种化学反应。前⾯已经论述过,杂原⼦如氮引⼊⽯墨烯后,会使得⽯墨烯具有更⾼的活性,因此可⽤于催化及锂离⼦电池领域。除了增加活性外,还有研究表明,

  σ键和面外π键。σ键使石墨烯具有电子传导性并使石墨烯层之间产生了较弱的相互作用。共价σ键形成了六边形结构和c轴面的刚性主链,即π键控制着不同的石墨烯层之间的关联。它展示了一个面上的3个σ键/原子以及垂直于σ键/原子面的π轨道。

  π键使石墨烯具有电子传导性,并使石墨烯层之间产生较弱的相互作用。石墨烯中的载流子可用狄拉克方程而不用薛定谔方程来描述。由于蜂窝晶体中有两个等价的碳亚晶格,锥状的价带和导带相交于费米能级处布里渊区的K和K_{0}点。这些无质量的狄拉克费米子显示出许多优越的特性。石墨烯是零带隙的二维半导体材料,它清晰地显示出双极电场效应、准粒子,和较长的平均自由程(微米量级的)。此外,二维中狄拉克能量色散意味着石墨烯是一种零带隙的半导体材料,当接近费米能级处时其态密度成线性消失。石墨烯传导时其电子或空穴浓度高达10^{13}cm^{-2}。它显示出杰出的载流子迁移率约为200,000cm^{2}╱V.s。如此高的迁移率是因为完美的石墨烯蜂窝状晶格使电子能够十分顺利地通过,能够控制其带隙。就像半导体一样,人们可以控制和调节电子运动以产生预期的结果。换言之,除非能够提供能量来加强电子穿越间隙,即在价带和导带之间的间隙,否则石墨烯不可用以传导。在此,列举几种不同工艺下石墨烯的导电性:

  (4.84±0.44)×10^{3}和(5.30±0.48)×10^{3}W╱m.K之间(Balandinet al., 2008)。化学气相沉积制备的石墨烯显示出较低值(≈2,500 W╱mK)(Cai et al., 2010)。它被认为具有一定的结构类型,即AA或AB型;石墨烯的层数也对其热导率产生影响。由于石墨烯的高热导性(由于其强烈的C-C共价键和声子散射,无缺陷的纯石墨烯单层在室温下导热性可高达 5,000W/mK(Ballandinet al., 2008),它被认为是电子设备中重要的组成部分。

  (多壁碳纳米管为 3,000W/mK (Kim et al., 2001),单壁碳纳米管 3,500W/mK (Pop et al., 2005))。导热率会受一些因素的影响,如缺陷,边缘散射(Nikaet al., 2009)和同位素掺杂(Jiang et al., 2010)。一般而言,所有这些因素都会对导电率产生不利影响,这是因为掺杂导致缺陷和声子模式局部化从而产生了声子散射。

  π电子间的耦合作用,实验测出石墨烯层间的剪切模量为4GPa,剪切强度为0.08MPa,明显小于碳原子间的机械性能。

  C-O-C键角发生弯曲,而氧原子向石墨面内方向运动,差距究竟有多大系列E之十三:石墨烯基本性由此得到其杨氏模量为 610GPa,较石墨烯的 1,060GPa 还低。

  πα ≈ 2.3%的白光(透光率97.7%),α为精细结构常数,其值约为~\frac{1}{37},堆叠顺序和方向影响着石墨烯的光学特性;因此,双层石墨烯展现出新颖有趣的光学特性。亚博yabovip888网页版登录:产学

  石墨烯的化学稳定性高是由于蜂窝网状结构中强大的面内sp^{2}杂化键的存在。石墨烯的化学惰性可应用于防止金属和金属合金的氧化。陈等(Chen et al., 2011)用化学气相沉积技术将石墨烯镀在铜和铜╱镍上,首次演示了石墨烯的抗氧化性能。石墨烯具有的化学稳定性和惰性使它有望提高潜在的光电子器件的耐久性(Blake et al., 2008)。


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