叩開新世界大門的材料——石墨烯

科技一直是人類社會不斷向前發展的根本動力，隨著科學理論的不斷完善，越來越多讓人吃驚的設計浮現在理論計算中，然而要把這些驚人的設計做成真正的產品卻不是那麼容易，材料便是其中最大的問題。2004年英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）製備出了單層石墨烯，隨後2009年他們又在單層和雙層石墨烯體系中分別發現了整數量子霍爾效應及常溫條件下的量子霍爾效應，震驚整個物理學界。他們也因此獲得2010年諾貝爾物理學獎，至此物理學界便颳起了石墨烯風潮。

安德烈·蓋姆

理想的石墨烯結構可以看作被剝離的單原子層石墨，基本結構為 sp2 雜化碳原子形成的類六元環苯單元並無限擴展的二維晶體材料，這是目前世界上最薄的材料—單原子厚度的材料。這種特殊結構蘊含了豐富而新奇的物理現象，使石墨烯表現出許多優異性質,石墨烯不僅有優異的電學性能(室溫下電子遷移率可達 2×105cm2/(V·s))，突出的導熱性能(5000 W/(m·K))[9-10]，超常的比表面積(2630 m2/g)，其楊氏模量(1100 GPa)和斷裂強度(125 GPa)也可與碳納米管媲美，而且還具有一些獨特的性能，如完美的量子隧道效應、半整數量子霍爾效應、 永不消失的電導率等一系列性質等。正是由於石墨烯材料具有如此眾多奇特的性質，使得石墨烯在電子、信息、能源、材料和生物醫藥等領域具有重大的應用前景。

單層石墨烯

目前石墨烯的製備方法多種多樣，主要分為物理方法和化學方法。物理方法通常是以廉價的石墨或膨脹石墨為原料，通過微機械剝離法、液相或氣相直接剝離法來製備單層或多層石墨烯，此法原料易得，操作相對簡單，合成的石墨烯的純度高、缺陷較少， 但費時、產率低下，不適於大規模生產。而化學方法主要有化學氣相沉積法（簡稱CVD法）、晶體外延生長法、氧化還原法等等。（各種方法的具體原理這裡不做集體介紹，感興趣的可以在評論區討論）但是你永遠無法想像首次製得單層石墨烯的安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫是如何做的，沒錯就是撕膠帶！！！

據說當時為了製作石墨薄膜，他們用一台拋光機來打磨一塊厚約幾毫米，直徑一寸的人造石墨，但是最終只得到了大約有 10 微米厚的石墨塊，這已經是拋光機能做到的薄膜的極限了。但這對於兩位科學家的要求來說還是太厚了，隨後他們的研究陷入了困境。天無絕人之路一次偶然的機會蓋姆和他們旁邊實驗室一位來自烏克蘭的高級研究員 Oleg Shklyarevskii聊天，他向Oleg開玩笑說他正在做一件將經一座山磨成一粒沙的工作。隨後Oleg從實驗室中拿來了一根粘著石墨片的膠帶。據說這是他從一個垃圾桶里翻出來的（額），原來他們每次實驗前都會用膠帶把石墨表層撕掉，從而露出一個乾淨新鮮的表面來供儀器掃描但是從來沒有人仔細看過扔掉的膠帶上有些什麼東西。蓋姆將Oleg 的膠帶放在顯微鏡底下，發現有一些碎片遠比拋光機打磨的那塊要薄，隨後不停地「撕膠帶」，單層石墨烯就這樣被撕出來了！！！人們不禁開玩笑說難道我和成功只差一卷膠帶？（其實撕膠帶沒有那麼簡單，其要經烘焙、 反覆粘撕，撕下來粘在光刻膠上的石墨片放入丙酮溶液中洗去，最後將剩餘在玻璃襯底上的石墨放入丙醇中進行超聲處理，從而才能得到單層石墨烯。）

你和成功只差一卷膠帶。。。。。

總之單層石墨烯的發現無疑是給工業生產打開了一扇新的大門，在感測器、顯示領域、半導體、醫學等方面更是重要無比。雖然目前石墨烯的各種製備方法都有或多或少的缺點，也有科學家在不斷研究能夠替代石墨烯的新材料，但這些材料終究只能在莫一方面具有替代作用，終究不如石墨烯這樣全面。

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