主题:【第十届原创】OPTON的微观世界之 多面手石墨烯

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欧波同
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概  述
人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯,是一种二维材料。
虽然看起来非常单薄,但是石墨烯却具有常规材料无可比拟的优异性能:力学、电学、热传导、阻隔性等性能。其导热系数是金属的10倍,电子迁移率更高,电阻率更小,比导热导电性能最好的银和铜还要好,柔性石墨烯散热薄膜能帮助现有笔记本、智能手机等提升其散热性能;它几乎是透明的,只吸收2.3%的光,97.7%的光可被传输,使其具有非常大的潜力,可用于光伏领域等。


接下来,小编就带领大家,一起走进近期石墨烯在某些领域的潜在应用性。
一、柔性石墨烯存储
现在大家对手机的期待越来越高,期望能有更多的黑科技应用到手机上,希望自己的手机拥有非常酷炫的功能。除了超级大的内存、存储空间,超长待机时间,超快的传输速度,强大的拍照、录像功能,生物识别技术,全视曲面屏,AR和VR功能等,现在人们越来越关注手机的轻薄性,最酷的当属折叠手机。
目前对于柔性屏幕的研究,已经有了些许眉目,但是想要手机达到任意折叠的效果,还需要内部组件的柔性可弯曲,虽然非常遥远,但是已经有了这方面的研究成果了。英国University of Exeter 基于石墨烯研发了一种新材料——混合氧化石墨烯二氧化钛存储,只有50纳米长度和8纳米的厚度,写入和读取速度只需5纳秒,非常适合未来可弯曲手机的设计,取代智能手机中的闪存储存。


二、太阳能电池光板
利用石墨烯高达97.7%的透光性,可将其用于光伏领域,相反的,最近英国萨里大学的研究者,利用纳米纹理化技术,可将纹理处理后的石墨烯制作太阳能光板。原来,研究者从飞蛾的眼睛得到启发,对石墨烯表面进行纹理操作,使石墨烯的吸光能力增加90%,可以吸收非常微弱的光,可以极大的提高能源利用率。


三、石墨烯“人工喉”
清华大学的研究者偏重于石墨烯在人体健康方面的许多研究,最近任教授介绍称,将少数几个单层的石墨烯薄膜叠加一起,形成一定的结构,可使其具有更加丰富的功能,任教授将其应用到了 “人工喉”的领域。
通常情况下,一般人听不懂先天失声的人在说些什么,这就需要把这些声音转化。 “人工喉”可以检测到喉咙的振动行为,并通过处理电路进行分析。如:我们可以将10KHz或5KHz的单频率声音替换为提前录制好的声音,比如“你好”等,这样,聋哑人发出“啊”时,人工喉咙相应的自动发出“你好”,目前此项研究还在开展中。让我们共同期待,不远的将来,任教授能够利用石墨烯帮助聋哑人士开口说话吧。



前面介绍了石墨烯这么多优异的功能和用途,接下来,就让我们在电镜下,看一下其庐山真面目吧。
图1为采用电镜获取的石墨烯截面和表面的2万、3万、4万、5万倍下的图像,可以清晰看到,该产品由多层石墨烯组成,且呈现多孔结构。多孔结构的石墨烯,使其具有超强的吸附性能,在空气净化器、汽车换气系统滤膜等使用,尤其在污水处理方面具有非常大的潜力。研究表明氧化石墨烯对铅的吸附容量是常规碳材料的10倍,吸附率可达到99%,可以使水得到深度净化如图2所示。


图1 电镜下石墨烯截面和表面形貌像


图2 石墨烯的吸附作用


采用蔡司的sigma500场发射扫描电子显微镜观察石墨烯,我们可以看到不一样的风景。
如下图3所示,不同石墨烯的截面(6万,10万倍)和表面图像(1.5万,10万倍)。从截面图像,我们能够清晰看到其边界以及多层结构;通过表面图像可以看出,该石墨烯表面有许多褶皱,研究表明,可以通过褶皱来判断石墨烯的层数,原因是:单层石墨烯为了降低表面能,其形貌会由二维向三维转变,所以单层石墨烯的表面褶皱明显大于双层石墨烯,并且随着石墨烯层数增加,褶皱程度越来越小。另一方面,层数越多,透过的电子越少,在扫描图像上颜色越深,反之,则越浅。
另外一方面,通过SPS技术,在石墨烯表面诱导产生大量褶皱形貌,可以使石墨烯从亲水性转变为疏水性,对于超疏水性材料的研制具有重大意义。


后  记
尽管石墨烯具有非常大的发展潜力,并且对于一些优异性能的研究已经取得了部分进展(如上所述),但是距离产业化,将这种福利惠及到大众,还是有很长的道路的。
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信号用SE2应该会好点,Inlens出来的图像立体感不强。
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原文由 小M(mitchell_dyzy) 发表:为什么感觉后4张很多噪点呢?
低电压的结果
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原文由 小M(mitchell_dyzy) 发表:为什么感觉后4张很多噪点呢?
但参数上还有优化空间
SEMDriver
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原文由 UNM(v2942222) 发表:信号用SE2应该会好点,Inlens出来的图像立体感不强。不知为什么只用1KV的电压?
石墨烯太薄了,电压越高他可能越是底层信息
苗晨光
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原文由 UNM(v2942222) 发表:
信号用SE2应该会好点,Inlens出来的图像立体感不强。
不知为什么只用1KV的电压?
SE2景深大立体感强,但是分辨率不高,拍高倍不如Inlens,图上显示Inlens,实际可能是混合了两个信号。石墨烯非常薄,低电压可以减弱穿透效果,二次电子产额也多