为什么,石墨是黑的,石墨烯却是透明的?

发布时间:2019-07-27

  石墨和石墨烯,仅有一字之差,在形态和性能上却大不一样。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

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  石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。

  2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。2009 年,安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应,他们也因此获得 2010 年度诺贝尔物理学奖。

  石墨烯为什么是透明的?

  对于石墨烯,科学界冠以的概念为:由碳原子以 sp² 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的单层二维材料。它之所以透明,是因为它的厚度,是以原子为单位计量的。单层的石墨烯仅有1个碳原子的厚度,即0.34纳米,相当于人类一根头发直径的20万分之一。

  这么薄一点,肉眼能看见才怪了!

  石墨和石墨烯的不同之处

  首先,石墨和石墨烯都是碳原子组成的物质。石墨的微观结构就是一层一层的石墨分子像书页一样堆叠而成,是三维的物质。石墨烯则是碳原子呈单层排列的二维物质。国际标准化组织(ISO)认定:当层数少于或等于十层时,可以称之为石墨烯,否则,就应该叫做石墨。

  而单层的石墨分子就是石墨烯了,因为单层石墨分子厚度不到一个纳米,可看做二维物质。所以,石墨烯和石墨最大的区别,在于维度的不同。石墨烯是构成其他碳同素异形体的基本单元,它可折叠成富勒烯(零维),卷曲成碳纳米管(一维),堆垛成石墨(三维)

  第二,同为碳元素组成的物质,石墨烯之所以表现出许多石墨不具有的性质,是因为石墨中的单层石墨分子上下表面都与碳原子组成连接成键,而石墨烯上下表面都暴露在空气中,所以其电子传输特性以及力学性质等会受到很大影响。石墨烯被证实是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质。石墨烯的另一特性是,其导电电子不仅能在晶格中无障碍地移动,而且速度极快,远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度。还有,其导热性超过现有一切已知物质。



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