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石墨烯层数问题

已有 13824 次阅读 2011-1-9 12:28 |个人分类:石墨烯|系统分类:科研笔记

我前面博文曾指出今年诺奖石墨烯其很多宏观应用预测是不真实的(具体见诺奖石墨烯问题再释疑),这点得到包括前诺奖得主在内的多位科学家认可,对于单层悬浮石墨烯其稳定存在依赖于边界碳碳键不对称色散应力,而这一不对称色散应力是一个近似常数(实际我们看到的和制得的石墨烯是其电子云已经出现移动和均化后的结果,也既是不对称色散应力已经作用后,达到动态平衡的结果),这一作用导致电子云分布达到动态平衡后,石墨烯内部每一碳原子处微观电子结构都有细小差异,会出现不稳定区域,此处就存在碳原子自由振动而破坏化学键的可能,石墨烯尺寸越小,边界处这一不对称色散应力对中心处的碳原子约束力越强,尺寸增大对其中心处其约束力越小,所以单层悬浮石墨烯稳定存在尺寸有一个最大值(初步计算直径约在20微米左右,注意因为所用参数有误差,此计算存在误差,而且结果还会与空气温度压力有关,但是稳定尺寸极值肯定是存在的)。处于衬底上的石墨烯可以获得更大稳定尺寸有数十厘米的,是因为衬底的支撑作用,实际很难完整揭离衬底;在溶剂中,是因为其表面吸附液体膜的支撑获得更大尺寸,氧化或者表面活性助剂处理还存在表面助剂分子作用力的支撑,所以尺寸可以较大,但是一旦烘干就会卷曲或者断裂。

对于多层石墨烯其稳定存在尺寸和性质又是怎样的呢?

双层石墨烯可以近似认为是一个单层石墨烯以另一个为衬底,其化学键可以参照石墨的晶体结构来近似处理,在水平面上的碳碳键作用更强1.42&Aring,而垂直方向碳碳键属于相对弱的分子化学键连接3.40&Aring,但是因为晶界钉扎效应,此时的垂直方向碳碳分子键作用也会增强,所以说双层石墨烯其稳定性要更好,稳定存在平面径向尺寸会更大,其性质也会与单层不同,此时层间作用也会接近石墨层间作用的极限。但是在直径变大后,同样存在材料力学挠度增大的问题,垂直方向分子键作用强化也是近似常数,而且边界处碳碳不多呈色散应力由于叠层的关系而被削弱,所以稳定存在的最大尺寸也是有限的,过大也会发生层间错位分离问题,或者卷曲成为碳纳米管。而且既然胶带可以通过剥离的方式制备单层石墨烯,可以证明双层石墨烯之间的连接是不稳固的。

多层石墨烯也同样存在类似问题,但在层数增加到几十到数百层左右也就是约几十纳米到几百纳米厚度左右,其性质与一般石墨已经接近,此时具体厚度与其长径比也有关(因为此时已是三维的结构了)。在这小于这一厚度与单层石墨烯厚度之间,其性质也介于其间。



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