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石墨烯传奇-之一 精选

已有 3410 次阅读 2019-9-12 19:27 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦

《石墨烯传奇》是作者为此新型材料写的科普读物,在此分为数次连载。


目录

引言:神奇的新材料

第一章:背后的故事

1. 何谓石墨烯?

2. 石墨烯之父的随机漫步

3. 胶带粘出诺贝尔奖

4. 兴旺的碳原子家族

 

第二章:结构决定性质

1. 石墨、钻石、和石墨烯

2. 奇妙的量子现象

3. 晶体和能带

4. 导体、绝缘体、半导体

5. 晶体中的自由电子

6. 有效质量和能带图

 

第三章:石墨烯和拓扑

………………………… 


引言:神奇的新材料

 

纵观人类社会的发展,新型材料的发现和使用是非常关键和重要的一环。这也是为什么人类历史长河中的不少阶段是以当时使用的热门材料而命名的。大约在距今250万年以前,第一批人造的石头工具在非洲开始出现,一直到大约4000-5000年之前才开始有了冶金技术。因此,考古学家们将最早那一段比两百万年更漫长的史前期,称为石器时代,因为那是早期人类以石头作为材料制作工具的年代。当然,所谓石器,是广义的。实际上,木材、骨头、贝壳、鹿角和其他的天然材料当时也被广泛地使用。特别是在所谓石器时代的后期,粘土等材质被烧结而制成了陶器,所以如果细分的话,那段短时期可称为陶器时代。之后,随着时间的推进,伴随着一系列冶金技术的发展和革新,人类又经历了红铜时代、青铜时代、铁器时代。再后来,又有了被历次技术革命所推动的蒸汽时代、电气时代、原子时代……,直到现在,人类正行进在以硅材料为主导的信息时代。

 

技术推进社会,材料改变时代,这是毋庸置疑的。此外,材料的性能对各种应用技术的安全性至关重要,也是一个不争的事实。历史上,以及现代社会,因为材料原因造成的事故不少。人类文明发展史,就是如何改进和创造更多更好的材料、更合理更安全地使用材料的历史。

 

从一百多年来颁发的诺贝尔物理奖和化学奖中,材料之重要也可见一斑:诺奖得主中,因发现和研究材料而得奖之人,占据了不小的比例。

 

这篇长文将要介绍的材料石墨烯,其发现者荣获了2010年的诺贝尔物理学奖,是近年来材料研究与诺奖挂钩的著名例子。英国曼彻斯特大学的两位教授:海姆和诺沃肖洛夫,在石墨烯材料方面进行的卓越研究,开启了新型二维纳米材料研究应用之大门。

 

什么是二维纳米材料呢?首先解释“二维”在这儿的意思。众所周知,我们生活在一个三维空间中,任何具体的物体,包括材料,都应该是三维的。即使是一张纸,有长度、宽度之外,还有厚度。这个“长、宽、厚”便是3个空间维度大小的体现。

 

不过,这儿所谓“材料”,指的是晶体电子材料。维数被定义为材料中电子自由运动的维度范围。也就是说,如果电子可以在(xyz3个方向自由运动,则是3维材料。如果电子只能在2维晶格中的(xy)平面上自由运动,而是2维材料。相应地,1维材料便意味着电子只能在一条直线上运动,而0维材料中的电子被束缚在空间中的一个点。

 

电子自由运动的范围,与材料的空间尺寸有关。例如,将材料在z方向切成薄片,使得电子z方向运动受到限制。这种材料片薄到一定的程度时便能被看成是2维材料。

 

要多薄才算2维呢,实际上是因具体情况而定的,这也就是“纳米”一词所表达的意思。

纳米(nanometer,简写为nm),是一个很小的长度单位:1 nm = 0.000000001 m。所谓纳米材料,一般指结构尺寸在0.1100纳米范围内的材料。

 

纳米技术为研究纳米材料之技术。其目标是利用对单个原子或分子直接操作的技术,来研究和构造新型物质结构。

 

石墨烯并不是在实验室里用纳米技术操纵单个原子制造出来的,但它在尺度和结构上属于2维纳米材料。如此的薄片结构,使得石墨烯具有很多优异的特性,如高导电性、高比表面积、高导热性和优异的机械性能等,在很多领域都有很好的应用前景。石墨烯的发现大大地促进了纳米材料合成技术的发展。其原理涉及量子理论、狭义相对论、以及拓扑学。这个来自“象牙塔”的新材料,不仅是材料学家的宠儿,工程应用方面大有用武之地,还有助于人们对量子理论的深入探究,为物理学发展和突破作出贡献。因此,石墨烯及其它纳米材料,成为近年来备受关注的研究课题,其研究和应用之热潮至今未衰。

 

有关石墨烯的性质和理论,大多数人只是知其然而不知其所以然。有关石墨烯的应用,则由于媒体报道中的诸多炒作夸大之词,给公众造成了许多混淆和疑惑。

 

那么,石墨烯到底是什么?有何神奇之处?与其相关的物理原理和应用前景究竟如何?本文以通俗的语言,深入浅出地为公众解释这种新材料,还其物理本质。通过石墨烯的发现过程,为读者讲述有关研究者们饶有趣味且颇具传奇色彩的科研故事。帮助研究开发人员广开思路,有所启发,将这种新材料进一步发扬光大,造福人类。石墨烯的特殊性质,来源于它的二维晶体结构。特别是其电子输运性能,与其能带结构密切相关,因此,文中也简要地介绍了一点量子论、固体物理及能带论的知识,从而解释石墨烯能带狄拉克锥的相对论特性,然后,介绍石墨烯与拓扑学的关系。最后,简要介绍石墨烯的应用。

 

第一章:背后的故事


如果让你想象一种世界上最薄的材料,你会认为它的厚度是多少?你的想象不会是毫无根据的凭空猜测,因为你已经具有现代科学的基础知识。高中化学课本告诉我们:化学元素可分割的最小单元是原子。那么,大多数人自然可以得出结论,最薄的稳定固体材料应该是由一层原子构成的吧!想到这儿,也许你会有点兴奋,哇,用单个原子层构成的材料!它的厚度将是多少?它会有哪些奇特的性质?又如何将这种材料制造出来,应用于技术中呢?


要回答上述问题,还得看看构成这种材料的基础原子是什么?构成的方式如何?不过,现代的科学技术已经给我们提供了一个绝佳的例子,这种最薄的材料已经被发现或“制备”出来了,对它的研究开发已经有了十多年的历史,它正在一步一步地寻求更广阔的应用方向,逐渐走向我们的生活,这种材料就是我们将要开始向大家介绍的“石墨烯”。


1. 何谓石墨烯


理想的石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢网状晶格结构,看上去就像由六边形网格构成的平面(或近似于平面)。每个碳原子通过三个共价键与周围碳原子构成正六边形,如图1-1-1所示。单层石墨烯的厚度仅为0.335nm(纳米),约为头发丝直径的二十万分之一,是世界上最薄的材料。


1-1-1:石墨烯的六边形网状结构


为什么把它叫做石墨烯?因为它来自石墨,也就是人人都熟悉的铅笔笔芯所用的那种材料。铅笔的名字是个历史的误会,事实上,铅笔芯中并没有铅,它的主要成分是石墨,而石墨是由碳原子构成的。


早在公元16世紀,英国人在一个叫巴罗代尔(Borrowdale)的地方,发现了某种大量的黑色矿藏,这种矿石黑黝黝、油光光的,当地的牧羊人常用它在羊身上画记号,用以确定是谁家的羊?哪一只羊?发现矿藏的几个文化人受此启发,心想:这玩意儿能在羊皮上画,也应该能在纸上留下痕迹吧,可以用来写字啊!不过,他们当年误以为这是与古罗马人用纸包着写字的铅是同一种东西,只是比铅更软更黑,写出来的字清楚漂亮多了,于是,他们将这些黑色矿石称作“黑铅”,实际上就是我们现在所说的“石墨”。不久之后,英王乔治二世索性将巴罗代尔石墨矿收为皇室所有,把它定为皇家的专利品。1761年,德国化学家法伯将石墨变成石墨粉,同硫磺等其它物质混合制成一条一条的成品,再将它们夹在木条中,成为最早的铅笔。从那时候开始,铅笔工业便随着巴罗代尔石墨矿的开采而兴旺发达起来。现在,400多年过去了,你如果到巴罗代尔旅游,还可以见识到附近Keswick的博物馆里,陈列展示着一只号称世界最大的铅笔,记录着这段历史的痕迹,“铅笔”这名字也就将错就错,沿用至今。


一直到了1779年,瑞典化学家谢勒(Carl Scheele)才发现黑铅并非铅,而是由碳原子构成的,之后,德国地质学家沃纳(Abraham Gottlob Werner)将这种物质的名字从黑铅改为石墨(Graphite),因为这个单词在希腊文中表示“书写”的意思。智慧的中国人将它翻译成汉语“石墨”一词,意即“石中之墨”,也可谓言简意赅、准确无误。


英国人在巴罗代尔发现的石墨,让商人赚满了钱包,也让铅笔走向世界,为传扬人类文化立下汗马功劳。不过,他们可能万万没有想到,当今的科学家,从那黝黑柔软的石墨中,制造出了一种超薄超强又超透明的材料。这就是石墨烯,那个“烯”字从何而来呢?是源于化学中对单原子层结构的描述。


如今,我们初步认识了石墨烯之后,再倒回头去看石墨的结构,发现原来它就是一层一层重叠起来的石墨烯,犹如重叠起来的一副扑克牌。换言之,石墨烯是石墨结构中最薄的一层。当我们用铅笔在纸上轻轻一划,没准儿就制造出了一小片石墨烯!见图1-1-2


1-1-2:从石墨到石墨烯

 

石墨烯虽然是石墨中的一层,但绝不是石墨!尽管它们的名字也只差一个字,但这一字之差却决定了它们性能及其制备难度上的天壤之别。石墨是石墨矿中开采出来粗加工产品,石墨烯却是象牙塔中走出来的难得的新材料,不可以假乱真!


实际上,理论物理学家在早期并不看好这种单原子层的2维材料,认为它们是不稳定的。前苏联有一位著名的理论物理学家列夫·朗道(Lev Landau1908年-1968年),在上世纪30年代就从理论上证明了2维晶体的不稳定性1,认为二维材料在常温下无法存在于自然界中。


朗道是研究晶体的专家,固体物理及凝聚态物理的奠基人,他的观点和判断非同小可,从而使得大多数人都在二维材料的实验开发中望而却步:既然不稳定,又何必花功夫去寻寻觅觅呢。


尽管朗道预言二维晶格难以孤立存在,也总是有人尝试制造出2维材料来。即使它们不稳定,也可以想办法探索研究一下其中有些什么新的物理特性吧,况且,就如今制取得到的石墨烯单层原子二维晶体而言,都是附于某种“衬底”之上的,并不需要完全单独地漂浮于空中。


(未完待续)


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