皱纹困扰石墨烯

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


2010年诺贝尔物理学奖提高了石墨烯的知名度——石墨烯是一种超强单原子厚的碳原子片,以六边形排列,具有无数潜在的商业应用。这种材料可以极好地导热和导电,同时还具有透明和高度柔韧性,使其成为改进燃料电池、电子产品甚至卫生用品的理想候选材料。

石墨烯能否兑现其作为各种产品变革者的潜力,取决于两个关键因素——平整度和纯度。利用扫描透射X射线显微镜和近边X射线吸收精细结构(NEXAFS)光谱学,一个由布法罗大学(纽约州立大学的一部分)领导的研究人员团队发现,石墨烯片中的褶皱和波纹,以及/或加工过程中偶然的污染物——可能隐藏在这些皱纹中——会扰乱并减缓电子在整个片材中的流动,从而损害其导电性能。


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一项发表在6月28日《自然通讯》上的研究表明,这意味着简单的加工缺陷会严重降低石墨烯的性能。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)在理想条件下,电子“云”排列在石墨烯样品的表面,从而实现电子的高速传输。然而,根据该团队的说法,这些样品中的皱纹和缺陷会扭曲电子云并造成瓶颈,该团队还包括来自美国国家标准与技术研究院(NIST)、劳伦斯伯克利国家实验室的分子铸造厂SEMATECH研究联盟的科学家。

科学家们将石墨烯的导电性比作铜,并将石墨烯的导热性称为已知材料中最好的。尽管如此,这项研究表明,石墨烯在导电油墨、超高速晶体管和太阳能电池板等产品中的成功应用可能取决于对材料的特性和行为的进一步深入了解。

研究人员并未对石墨烯的近期成功泼冷水,实际上还提出了可能的解决方案。NIST的研究人员能够在加热石墨烯样品的同时进行详细的光谱测量,发现当样品达到150摄氏度时,神秘的、破坏性的峰值消失了。这表明电子云中的扰动不是化学结合的,而是吸附在表面可以去除的污染物。

在第一张图中,红色区域描绘了石墨烯中的褶皱,而绿色区域是相对平坦的区域。电子云中存在的“丘陵和山谷”可以充当减速带,阻止电荷流过材料。图片来源:布法罗大学Brian J. Schultz和Christopher J. Partridge

在第二张图中,虚线显示了石墨烯的不同角度倾斜的独特区域。软X射线描绘了石墨烯电子云的鸟瞰图。图片来源:Brian J. Schultz

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