本研究的研究主体磷烯,最早时也是通过机械剥离法来获得的,比石墨烯晚十年,同样也是单元素材料。其制备原材料是黑磷。关于磷烯的研究其实已经进行了数十年,所以在2014年,少数层磷烯被成功制出后便吸引了科学界的广泛关注。论文网
1。1 石墨烯背景介绍
这个发现过程是这样的,Geim要求其研究室内的一个中国博士生将一块高定向裂解石墨(HOPG)制成尽可能薄的薄膜,三周后博士带来的薄片仍有10微米左右的厚度,大概有1000层。Geim要求获得更薄的薄膜,博士便要求了另一块材料,这材料售价不菲,当时的价格约为300美金一块。Geim说:“你不会为了获得一粒沙子而磨掉整块砖头吧?”学生表示:“你那么聪明,你来试试啊?”Geim面对学生的挑衅丝毫没有示弱。他使用了更加便捷的办法,用胶带去撕,类似于二分法,每次撕开胶带,材料都被一分为二。Geim利用这个方法轻而易举地获得了厚度约为10层的石墨烯。
由此可知,所谓的石墨烯,其实是一薄层石墨,它非常薄非常薄,薄到仅仅由一层碳原子构成,厚度为0。35nm。碳原子和碳原子之间交接成六角形的网格结构。我们都使用过的铅笔,它中间的芯里用的就是石墨,石墨内部就可以理解为数层石墨烯叠在一起,至于碳纳米管,我们可以这样理解,就是石墨烯卷了起来,变成了筒状。
石墨烯的强度是很大的。美国哥伦比亚大学的研究团队确定石墨烯的强度比钢高200倍,为130Gpa[1]。这是由于碳原子键之间的属性决定的。载流子迁移率也高达15000cm2·V-1·s-1,是的锑化铟材料的两倍[2]。
图 1 石墨烯可以被作为原料,加工成多种材料,如碳纳米管,球形富勒烯等
1。2 石墨烯的缺陷
尽管石墨烯有着出众的电学性能和广阔的工业空间,但是大批量的制备仍然是没有被攻克的大难题。高效率的生产方式直到今天依然没有被发现。机械剥离法虽然能够获得石墨烯,但是效率极低,量产化极不现实。而其他的量产化方法直接导致了质量的下降。如液相剥离法:寻找相似的含碳材料,把材料放入液体里,这种液体的选取是有要求的,其表面张力必须要足够高。接下来,我们将使用超声去轰炸这个材料,这样可以轰出石墨烯小片片;还有化学气相沉积法:我们寻找一种含碳的气体,想办法让它在某个表面上冷凝,一般来说我们可以使用铜。一段时间之后,就会有石墨烯薄层形成的在铜上,想办法剥离,我们就获得了石墨烯;还有一种我们称之为直接生长法,我们拿两种材料,让石墨烯从他们中间生长出来。一般来说我们可以使用硅;另外有化学氧化还原法,我们通过插入某种原子,把石墨一层层分隔开,以取得片状石墨烯,一般来说我们可以使用氧原子。
至于为什么这样量产的石墨烯品质不高呢?举个例子,众所周知,石墨烯的中间是稳定的碳六圆环,但是边界处的情况就不一样了,会有五元环和七元环。就拿化学气相沉积法来说吧,它并是不像我们想象的那样产生完整的石墨烯、以一点上为根基,直接生成一整块。它其实是多个点同时生长产生的。所以说要能确保这齐头并进生长出来的小片都能对接,齐齐地长成一块完整的材料,这是很不现实的。于是,这些可被称之畸形或者缺陷的环,不仅仅分布在材料的外缘部分,在材料的内部也是广泛分布的。他们对材料性质的影响是巨大的。这些不规则的缺陷会成为整块材料结构上的弱点、使材料格外容易破裂,强度直接变差。更重要的是,对于石墨烯这种材料来说,它断裂点不会自我愈合,这点就和其他多晶金属材料有着很大的区别。这种缺陷很可能要一直延续下去。石墨烯这个材料整体的强度和实用性都要大打折扣。 二维磷烯的晶界结构和性质第一性原理研究(2):http://www.youerw.com/yanjiu/lunwen_100690.html