石墨烯——外国语学院英 语翻译专业2011级杨晗(改变世界的物理学选修).ppt ).ppt

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1、 石石 墨墨 烯烯 外国语学院外国语学院2011级英语翻译专业级英语翻译专业 杨晗杨晗石墨烯的发现者2010年10月5日，瑞典皇家科学院宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。海姆和诺沃肖洛夫于2004年制成石墨烯材料。这是目前世界上最薄的材料，仅有一个原子厚。自那时起，石墨烯迅速成为物理学和材料学的热门话题。石墨烯的发现故事石墨烯的发现故事（这是两年前（这是两年前Geim在他办公室接受在他办公室接受Science Watch采访采访时讲的，时讲的，Geim叙述了发现石墨烯的有趣故事）叙述了发现石墨烯的有趣

2、故事）Geim 说他的实验室里刚来了一位来自中国的博士生。我买说他的实验室里刚来了一位来自中国的博士生。我买了一块高定向裂解石墨了一块高定向裂解石墨(HOPG),请这位博士生制成薄膜，要求尽可请这位博士生制成薄膜，要求尽可能地薄。起初我给他一台精巧的抛光机让他研磨。三周后他来见我，能地薄。起初我给他一台精巧的抛光机让他研磨。三周后他来见我，他说成功了。他给我看一个培养皿，在培养皿底部有一些石墨的小他说成功了。他给我看一个培养皿，在培养皿底部有一些石墨的小斑点。我用显微镜观察，估计这些石墨碎片仍然有斑点。我用显微镜观察，估计这些石墨碎片仍然有10微米厚，大概微米厚，大概 1000层左右。我问他：

3、层左右。我问他：“你能否再研磨得薄一点？你能否再研磨得薄一点？”这位博士生说：这位博士生说：“我需要另一快我需要另一快HOPG”一块一块HOPG的售的售价当时约价当时约300美元。美元。Geim说说“我当时向他解释时一定是不太礼貌，我当时向他解释时一定是不太礼貌，我说你不必磨掉整块砖头才指望获得一粒沙子吧。不料他同样有礼我说你不必磨掉整块砖头才指望获得一粒沙子吧。不料他同样有礼貌地回答道：貌地回答道：“如果你这么聪明，你自己试试。如果你这么聪明，你自己试试。”这就是一个转折这就是一个转折点，面对学生的叫板，点，面对学生的叫板，Geim自己来试，决定用透明胶带。自己来试，决定用透明胶带。后面的故

4、事大家可能都知道了，先在胶后面的故事大家可能都知道了，先在胶带上粘一小块石墨、折叠，然后再撕开胶带，带上粘一小块石墨、折叠，然后再撕开胶带，薄片也随之一分为二。屡次重复这一过程，薄片也随之一分为二。屡次重复这一过程，即可将石墨减薄，他们很快获得了更薄的石即可将石墨减薄，他们很快获得了更薄的石墨，一周后用这些石墨片制成了具有栅控特墨，一周后用这些石墨片制成了具有栅控特性的电子器件，类似晶体管，其实当时所用性的电子器件，类似晶体管，其实当时所用的石墨片并非单原子层的石墨片并非单原子层(石墨烯石墨烯)的，的，10层左层左右，但右，但Geim唯恐有人也在探索同样的工作，唯恐有人也在探索同样的工作，于是

5、等不及拿到单层石墨烯就匆匆往前做的。于是等不及拿到单层石墨烯就匆匆往前做的。一开始一开始Novoselov可能没有参加，是后来才可能没有参加，是后来才介入的，其强项可能是电学测量方面的，假介入的，其强项可能是电学测量方面的，假如我们这位中国博士生按如我们这位中国博士生按Geim的要求获得的要求获得石墨烯薄片，那么获诺贝尔奖可能这位博士石墨烯薄片，那么获诺贝尔奖可能这位博士生也有份的。遗憾吗？这就是科学研究，机生也有份的。遗憾吗？这就是科学研究，机会、偶然与必然是相伴的。不同的性格会决会、偶然与必然是相伴的。不同的性格会决定研究者的工作风格，同样会决定各自的命定研究者的工作风格，同样会决定各自的

6、命运。运。问问 Geim为什么当时会想到去发现石墨烯？为什么当时会想到去发现石墨烯？Geim说，首先说，首先我们有设备，可以研究小样品，其次我有一点低维系统方面的我们有设备，可以研究小样品，其次我有一点低维系统方面的知识，我博士后的研究工作就是涉及低维系统的。第三个原因知识，我博士后的研究工作就是涉及低维系统的。第三个原因我戏称是我的科研恶习，那一段时间里，我关注碳纳米管那一我戏称是我的科研恶习，那一段时间里，我关注碳纳米管那一拨人，恶心他们时不时地声称获得这样或那样的牛工作。我想拨人，恶心他们时不时地声称获得这样或那样的牛工作。我想我可以做一点不同于碳纳米管的东西，暗想为什么不把碳纳米我可以

7、做一点不同于碳纳米管的东西，暗想为什么不把碳纳米管剖开呢？这就是最初的想法：试着做一些类似碳纳米管的东管剖开呢？这就是最初的想法：试着做一些类似碳纳米管的东西，尝试用抛光将石墨减薄，直至几层或尽可能地薄。其实当西，尝试用抛光将石墨减薄，直至几层或尽可能地薄。其实当时谁也没料到时谁也没料到(包括包括Geim自己自己)能获得单原子层的石墨烯，但能获得单原子层的石墨烯，但都认为制备都认为制备10或或100层石墨应该是没有问题的。故当时我们的层石墨应该是没有问题的。故当时我们的目标是：制备目标是：制备100层的石墨，并尝试对其进行研究，希望能解层的石墨，并尝试对其进行研究，希望能解决类似于碳纳米管体系

8、中的问题。于是决类似于碳纳米管体系中的问题。于是Geim开始了工作，时开始了工作，时间约在间约在20022003年间，年间，2004年年10月在月在 Science上发表题为上发表题为“Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films”论文，署名共论文，署名共9位，包括两名中国人位，包括两名中国人(D.Jiang,Y.Zhang)。从从Geim的故事可知，如果想获原创性的东西，应该向的故事可知，如果想获原创性的东西，应该向Geim学习，绝不跟风，不做学习，绝不跟风，不做Research，做，做Search，尝试前人，尝试前人没有做过的东

9、西，唯有那些东西才有可能永恒。您说呢？没有做过的东西，唯有那些东西才有可能永恒。您说呢？石墨烯的特性 无法单独稳定存在无法单独稳定存在1，直至，直至2004年，英国曼彻斯年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁诺沃肖洛诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开在二维石墨烯材料的开创性实验创性实验”为由，共同获得为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖2。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料石墨烯目前是世上最

10、薄却也是最坚硬的纳米材料3，它几乎是完全透明的，只吸收，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光的光4；导热系数高达导热系数高达5300 W/mK，高于碳纳米管和金刚石，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率常温下其电子迁移率*超过超过15000 cm2/Vs，又比纳米，又比纳米碳管或硅晶体碳管或硅晶体*高，而电阻率只约高，而电阻率只约10-6 cm，比铜或，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料银更低，为目前世上电阻率最小的材料1。因为它的。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体发展

11、出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。池。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。石墨烯的碳原子排列与石墨烯的碳原子排列与石墨石墨的单原子层雷同，是的单原子层雷同，是碳原子碳原子以以sp2混混成轨域呈蜂巢晶格成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维排列构成的单层二维晶体晶体。石墨烯可想像为由碳原

12、子和其。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键共价键所形成的原子尺寸网。所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨石墨)+-ene(烯类结尾烯类结尾)。石墨烯。石墨烯被认为是平面被认为是平面多环芳香烃多环芳香烃原子晶体。原子晶体。石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为）仅为1.42Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重

13、新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的秀的导热性导热性。另外，石墨烯中的。另外，石墨烯中的电子电子在轨道中移动时，不会因晶格在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生缺陷或引入外来原子而发生散射散射。由于原子间作用力十分强，在常。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，石墨烯内部电子受到的干扰也非温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。石墨烯是构成下列碳常小。石墨烯是构成下列碳同素异形体同素异形体的基本单元：石墨，的基本单元：石墨，木炭木炭，碳纳米管碳纳

14、米管和和富烯富烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形六边形(等角六等角六边形边形);如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯是一种石墨烯是一种二维二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了了光速光速的的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子载荷子”(e

15、lectric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。，的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯与中央处理器全全球球首首款款革革命命性性石石墨墨烯烯处处理理器器问问世世 波兰的波兰的Digital Core Design是全球知名的是全球知名的设计实验室，该机构日前宣布，已经开发出设计实验室，该机构日前宣布，已经开发出全球首款采用石墨稀全球首款采用石墨稀(Graphene)制造的制造的处理处理器器BYT-ON。这种被应用在这种被应用在BYT-ON处理器处理器中的架构称之为中的架构称之为CISKoRISK 2nd Generation它能以它能以99.13%接近光速的

16、速接近光速的速度来执行所有的操作程序，而且功耗要比等度来执行所有的操作程序，而且功耗要比等效的传统硅元件减少效的传统硅元件减少99.85%。Digital Core Design在其在其BYT-ON处理器中使用石墨稀，处理器中使用石墨稀，是电子学领域的一大创举。他们并非采用硅架构来建立传统积是电子学领域的一大创举。他们并非采用硅架构来建立传统积体电路的方法，而是运用了多环芳香族碳氢化合物体电路的方法，而是运用了多环芳香族碳氢化合物(polycyclic aromatic hydrocarbons)。“我们我们才刚刚我们我们才刚刚在在2011年底展开测试，结果远远超出我们的预期，年底展开测试，结

17、果远远超出我们的预期，”Digital Core Design发言人发言人Tomasz Cwienk说。说。“我们在一款最新我们在一款最新的的平板电脑平板电脑中，用新的石墨稀中，用新的石墨稀BYT-ON处理器取代了既有处理处理器取代了既有处理器。我们已经知道器。我们已经知道BYT-ON的功耗可以降到最低，但我们很惊的功耗可以降到最低，但我们很惊讶地发现，这部平板讶地发现，这部平板电脑电脑从从2012年一月份开机并运行以来，年一月份开机并运行以来，一直到一直到2012年三月底，整整三个月，我们都不必再为电池充年三月底，整整三个月，我们都不必再为电池充电。电。”能够获得这种革命性的成果，或许是由于

18、能够获得这种革命性的成果，或许是由于Digital Core Design所设计的所设计的专有架构专有架构(该公司已经累积了该公司已经累积了12年之久的开发经验年之久的开发经验)，这将让石墨稀在电，这将让石墨稀在电子产业开启全新的应用可能性。这种被应用在子产业开启全新的应用可能性。这种被应用在BYT-ON处理器中的架构处理器中的架构称之为称之为CISKoRISK 2nd Generation它能以它能以99.13%接近光速的速度接近光速的速度来执行所有的操作程序，而且功耗要比等效的传统硅元件减少来执行所有的操作程序，而且功耗要比等效的传统硅元件减少99.85%。编者按：业界现在也传闻全球前十大

19、的编者按：业界现在也传闻全球前十大的FPGA供应商也开始秘密和供应商也开始秘密和Digital Core Design商讨，打算将基于石墨稀晶体管架构的商讨，打算将基于石墨稀晶体管架构的BYT-ON作作为其开发下一代为其开发下一代FPGA的基础。在的基础。在FPGA中采用这项技术的其中一大优势，中采用这项技术的其中一大优势，是采用石墨稀晶体管建构的存储单元是采用石墨稀晶体管建构的存储单元(包含可配置单元在内包含可配置单元在内)，其速度可，其速度可较较SRAM快上几个数量级，密度也会比快上几个数量级，密度也会比DRAM和非挥发闪存高出几个数和非挥发闪存高出几个数量级，但功耗却趋近零。此外，石墨稀晶体管也能免除幅射干扰，这让量级，但功耗却趋近零。此外，石墨稀晶体管也能免除幅射干扰，这让该技术更加适合航空应用，包括太空探测在内。该技术更加适合航空应用，包括太空探测在内。