下一代半導體材料？你所不知道的石墨烯真相！

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石墨烯是一種單層碳聚合物。是由純碳製成的。它是一種碳原子排列在一個單一層中的材料，形成一種蜂窩模式。應該強調的是，這層碳只有一個原子厚， 儘管一些創始者認為高達十層的碳形成石墨烯。 如果我們將十層或更多層的石墨烯疊加，由此產生的物質將被稱為石墨，這就是我們使用的鉛筆心了。

石墨烯這個名稱是Hanns Peter Boehm創造的術語。有些科學家使用「零帶隙半導體」這一短語來指石墨烯。眾所周知其拼寫也在發生變化，比如grafene以及graphen，但是那些英文拼寫是不正確的，雖然他們可能在其他語言中是有效的。

如果你有興趣製作自己的石墨烯， 請向下滾動到如何在家製作石墨烯或者只訪問有DIY石墨烯指令的單獨頁面。如果你已經聽說了用光速寫DVD驅動器製造石墨烯的話，你會想向下滾動，但是需要將一些氧化石墨作為出發點。如果你想在石墨烯或石墨烯相關的技術上投資，看看如何投資石墨烯。

發現石墨烯

石墨烯在理論上由Philip R.Wallace在他的名為「石墨的能帶理論」的作品中預測，並於1947年發表在《物理評論》上。石墨烯是在2003年由曼徹斯特大學的安德烈·海姆以及科斯特亞·諾沃肖洛夫發現的，而且結果於2004年公佈於眾。因為這項工作，他們在2010年被授予了諾貝爾獎。為了澄清這一點，即使自20世紀70年代以來石墨烯在各種單晶襯底上成功生長，直到2003年石墨烯最終才以自由形式分離出來。有趣的是，要知道他們是用普通膠帶生產小批量的石墨烯。這是非常重要的，因為處於自由狀態而不是結合到支持晶體結構時，石墨烯的電性和物理性質是截然不同的。

石墨烯的性質

石墨烯有一些非常有趣的性質。正如我們所了解的，石墨烯是一種僅由碳原子組成的蜂窩結構。我們正在盡最大的努力以外行人的角度來解釋這些性質。如果你寧願自己看到這些數字，鏈接我們的資源，請訪問我們的網頁石墨烯的性質。 如果你正在做一些科學研究，或者只需要看看在哪裡找準確的信息，那一頁就可以派上用場了。除非另有說明，這篇文章的重點還是自由形式的石墨烯。

電子傳輸系統和電子遷移率

石墨烯一個非常重要的性質是其獨一無二的電子傳輸系統以及由此而產生的高電子遷移率。電子遷移率描述了一個電子在一種物質中移動時速度有多快。 由於金屬和半導體在電子產品中的應用，他們是有特殊的利益。

在和晶格的相互作用中，電子的速度受到了限制。通俗的說，當一個電子在材料中移動時，它與原子碰撞而構成了材料，而且那些碰撞讓電子的速度慢了下來，限制了其最大速度（因此加熱材料，為從事此事的工作者造成了噩夢）。當然事實是有一點兒複雜，但這種近似對於這次討論來說足夠好了。

雖然作為現代微電子學的主要成分的硅具有

石墨烯在速度上擊敗了硅.

從這個事實來看，基於石墨烯的電子器件理論上可以以比常規硅基器件高近200倍的速度工作。IBM研究人員成功地實現了在40納米柵長的石墨烯FET轉換高達280 GHz的截止頻率。科學家期望在2013年看到石墨烯FET截止頻率高達600 GHz，而如果柵極長度保持幾個納米，理論極限會高達約10 THz。相比之下，硅鍺（SiGe）晶體管在低於100GHz時可以達到最大工作的頻率。希望石墨烯的突破將保持摩爾定律。

低電阻率

另一個與高電子遷移率緊密相連的石墨烯屬性是它的低電阻率。石墨烯片的電阻率為10 -6Ω* cm。從這個數字的角度來看，石墨烯的電阻率低於在室溫下銀的電阻率。順便一提，在室溫下，銀是科學家已知的最低電阻率材料-也就是說，直到石墨烯出現為止。

為什麼自由形式的石墨烯更勝一籌？

自由形式的石墨烯用作電子的波導。這意味著，他們可以以在真空中光速的約1 / 10的速度沒有碰撞的自由流動。然而,當石墨烯生長於基質上，比如二氧化硅,其電子遷移率降低了五倍。電子遷移率降低是石墨烯敏感的電子軌道導致的，當與其它材料接觸時，其改變形狀。這就是為什麼科學家正在研究如何更有效地製造並與自由形式的石墨烯相互作用。

到目前為止，石墨烯可能聽起來像一種非常酷的材料。如果你對製作自己的石墨烯感興趣，請閱讀怎樣製作石墨烯或者只要繼續瀏覽，信息就在下一張網頁。

石墨烯晶體管以及石墨烯的邏輯

數字電路中的晶體管有兩個不同的狀態，開和關（晶體管實際上具有除了ON和OFF之外的若干不同狀態，但是這兩個在本討論中是主要關注的狀態）。純石墨烯即使在OFF狀態下也通過傳導大量的電流而產生問題。石墨烯在OFF狀態下傳導電流，因為它是一種零帶隙半導體。 零帶隙半導體不需要外部電場而使自己變得導電。結果：石墨烯邏輯門具有高靜態功耗-它們在器件導通和關斷時都消耗功率。有兩種方法來解決這個問題：縮短柵極長度或使用摻雜的石墨烯。

石墨烯可以按照摻雜硅晶體的相同方式摻雜。當摻雜鉀離子時，電子遷移率可以降低高達20倍。 在這種情況下，受控的電子遷移率降低是期望的效果。需要更多的研究以顯示最佳的摻雜劑及其濃度。

自愈性

石墨烯一個很有趣的屬性是自愈性。這意味著如果我們從石墨烯片內的任何位置除去碳原子，然後將這片石墨烯暴露於碳原子或一些含碳分子的環境中，則其中之一將完美地卡入到位，填充由除去的碳原子而產生的孔，並符合六邊形形狀。 自愈能力對於納米技術是非常重要的，因為單個雜散離子可以在納米結構中打孔，從而使其無用。如果納米結構可以自愈，那麼其便可以承受惡劣的環境帶來的影響。

導熱性

石墨烯是一種極好的熱導體。事實上，它能有效地傳導熱量，這樣你就可以使用石墨烯片切割冰塊。 當你握住石墨烯時，它會吸收來自於你手指的熱量，並將熱量轉移和集中到石墨烯「葉片」與冰接觸的一個小區域。冰瞬間融化，在它融化之時，越來越多的熱量從你的手通過石墨烯最終到冰，進一步將冰融化。

相對材料強度與重量

輕質石墨烯基材料。

這個令人振奮的新材料是科學已知最強的材料之一。由於其單原子厚度，石墨烯可以包裝在小體積中，同時保持極高的表面積。 一平方米（10.7平方英尺）的石墨烯重量在1毫克。這使其在與別的高比面積材料相比時在重量面積以及體積比率方面更勝一籌。儘管其非常堅固，但碳層只有一個原子厚，容易斷裂。這使得用石墨烯工作是一個具有挑戰性的任務。科學家們已經在石墨烯的基礎上開發了新材料，其利用了石墨烯的獨特性質，同時使其厚到足以承受更高的應力。

如何購買石墨烯？

石墨烯可以從一些線上和線下經銷商手中買到。目前，石墨烯的價格並不是很有吸引力：對於1克純的，3nm過濾的石墨烯納米粉末，約300美元（約250歐元）。當然，石墨烯價格有望隨著廠商數量的增加而減少。另外，如果你想賺錢而不是花錢，看看 如何投資石墨烯。

在家如何製作石墨烯

事實證明，許多讀者想在家裡製作石墨烯，所以這是透露一次：你可以自己製造少批量的石墨烯！然而，儘管可能，但要做大量的石墨烯卻不容易。事實上,在撰寫本文時,科學家們仍然不知道如何有效地使大量高品質的石墨烯,因為技術過程尚未開發。不過，少批量製作石墨烯卻很簡單。

你能夠在DIY條件下的位的長度只有幾個納米，所以要忘記宏觀石墨烯片石墨烯條。你可以自己製作的最大的一塊石墨烯是0.25平方毫米（但你會製作大量的石墨烯）。做出的這塊石墨烯不會比這個網頁上的感嘆號大多少！在工業應用中，科學家們用柵極長度在25nm以下的石墨烯製作晶體管...所以你的點大小的石墨烯，雖然它看起來小得多，但可以用來製造數百個晶體管。仍舊有興趣製作石墨烯嗎？非常棒，繼續讀下去！

方法1：膠帶

第一種DIY方法是使用鉛筆在紙上沉積厚厚的石墨層。然後用普通的膠帶從紙上剝離一層石墨。使用另一塊膠帶從第一塊膠帶上去除一層石墨。然後，使用第三塊未使用的膠帶從第二塊膠帶上除去一層石墨，以此類推。最終，石墨層將變得越來越薄，並且最終將石墨烯，其實嚴格意義上來說是單層石墨，或雙層或幾層石墨（在某些用途中幾乎像石墨烯一樣起作用）。即使這種製造石墨烯的方法只是一個對概念的驗證，膠帶法是有效的。這種方法需要耐心和時間，但是這是2004年曼徹斯特團隊使用的製作方法。而且要牢記，他們在這項工作上贏得了諾貝爾獎，所以並沒有一團亂七八糟的膠帶。

方法2：廚房攪拌機

一組科學家的文章發表於2014年4月20日，文章中他們描述了如何使用稱作液體剪切剝離的方法來製作石墨烯。在這裡你可以找到文章的摘要，但是全文需要付費。

在液體中剪切剝離的方法開始是將粉末晶體傾倒在液體中，然後使用剪切混合器將材料層從晶體中分離（剝離）。選擇會用於此工藝過程中的液體，使得小石墨烯顆粒不會團聚到一起，結果得到的是石墨烯的液體懸浮液。然後可以將懸浮液乾燥以獲得石墨烯納米片，或者其可以直接用於以後的工藝過程中，例如製備石墨烯塗層等。

所以，如何使用這種方法在家中製造石墨烯呢？好吧，你可以用廚房的攪拌機來替代剪切機（因為剪切混合是一個高科技混合的較花哨的辭彙），而且你可以用水和洗碗精而不是用特殊的液體。添加清潔劑可以讓粒子不會聚集，並且可以作為一種表面活性劑。

石墨鉛筆富含石墨粉。只需要一些鉛筆芯的鉛粉，並將鉛粉加入洗滌劑溶液中，然後混合一段時間。 除非你有機會獲得特殊的顯微鏡等設備，不然可能無法在您的洗滌劑溶液中確定石墨烯的存在，但有一個快速的經驗法則，你可以用來估計粒徑大小。

一般來說，如果石墨烯顆粒太大，他們會沉到容器的底部，而如果他們是較小的，他們將浮到頂部。 納米顆粒很小，它們將懸浮在水中，如果你想製作石墨烯，這便是你想要的。在製備了足夠的石墨烯顆粒後，您可能需要過濾懸浮液並將其乾燥。

話雖這麼說，雖然上文中有描述這種製造石墨烯的方法，並為研究人員所用，但在家中用這種方法製作石墨烯時不要太興奮。它這種方法會很雜亂，而且製作出的都是非常小的納米石墨烯片，不要向你的朋友吹噓，除非在你的地下室有一個高科技實驗室，並且你打算使用它們製作石墨烯晶體管。

另一方面，這種技術以及超聲處理輔助液相剝離技術可以限定未來在工業環境中如何製造石墨烯，因為其具有可擴展性。

方法3：DVD刻錄機-光雕技術的方法

使用這種方法獲得的石墨烯，配方要求具有光雕技術的DVD機驅動以及一些氧化石墨。你可以從製造商那裡獲得氧化石墨,或者為了這個實驗你可以在家裡做一些氧化石墨。如果你想了解如何在家做氧化石墨， 向下滾動到下一節

氧化石墨具有水溶性，所以在把它與水混合後，小心地放在一個光碟上。確保氧化石墨溶液均勻地分布在光碟的塑料表面上。待溶液乾燥並在光碟上形成一層氧化石墨膜後，將光碟放入DVD驅動器，薄膜面朝下。使用光雕軟體刻錄氧化層。

與激光束接觸的薄膜區將會變成石墨烯。激光束引起了將石墨氧化物還原為石墨烯的化學反應。將所得石墨烯層小心地從盤上移除並切割成適當尺寸的碎片。這些碎片可以直接用來製作石墨烯超級電容器！這可能也是在家製作石墨烯最簡易的方法，但是得假設您能獲得氧化石墨以及一個光雕驅動器。

一位讀者建議可以用疝氣閃光燈來代替光雕DVD激光。如果你有閃光燈，你也可以試試這種方法，並且「聯繫我們的網站域名」以報道結果。

另一個提示：如果你對於DVD刻錄機保修失效會覺得不舒服就不要用這種方法。

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