石墨烯為“何方神圣”？詳解石墨烯的特點和應(yīng)用
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-02 21:06
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石墨烯為“何方神圣”
石墨烯結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為是理論模型，難以單獨穩(wěn)定存在，直到2004年英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過簡單的“機(jī)械剝離法”，利用“膠帶”從石墨表面“撕”出了單層的碳材料——石墨烯，證實了它可以單獨存在。這兩位科學(xué)家也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”，摘得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎的桂冠。
石墨烯是單原子層的二維晶體材料，是人們發(fā)現(xiàn)的第一種由單層原子構(gòu)成的材料，也是結(jié)構(gòu)最為簡單的碳材料。鉛筆里用的石墨可以看作由石墨烯層層堆疊而成，因此，石墨烯也被視作“單層石墨”。
石墨烯的特點和應(yīng)用
石墨烯是目前已知的世界上最薄、 最強(qiáng)、 導(dǎo)熱性最好且擁有強(qiáng)大柔韌性的納米材料：它可以薄到只有一個碳原子的厚度，1毫米厚的石墨薄片能剝離出300萬片石墨烯；它的強(qiáng)度比鋼還要高100倍；它也有優(yōu)異的導(dǎo)電性；還具有在可見光下透明但不透氣等特殊的性質(zhì)。
由于身懷諸多“絕技”，“出世”僅10多年的石墨烯已引無數(shù)科學(xué)家競折腰，不愧為新材料家族的“高帥富”。
它可用來制造透明觸摸屏、超靈敏的傳感器、電池、發(fā)光二極管（LED）等；還可用來制造防彈衣、航空航天材料；并有可能成為硅的替代品，在半導(dǎo)體領(lǐng)域“大顯身手”。
21世紀(jì)的神奇材料 “石墨烯”，承載了人們對未來生活的諸多美好想象。未來10年這些想象可能就會變成現(xiàn)實，讓我們拭目以待吧！
激光問世之前，科學(xué)界基本上都在研究弱光束在介質(zhì)中的傳播，這種條件下介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)與光強(qiáng)無關(guān)，而且光波疊加時遵守線性疊加原理，所以此類光學(xué)問題稱為線性光學(xué)。
但激光問世后，這種電場強(qiáng)度可與原子內(nèi)部的庫侖場強(qiáng)度相當(dāng)?shù)墓獠ㄅc介質(zhì)間會發(fā)生相互作用，產(chǎn)生非線性效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致線性光學(xué)不能解釋的一些新現(xiàn)象出現(xiàn)。隨著非線性光學(xué)效應(yīng)不斷發(fā)展，很多技術(shù)應(yīng)用也被相應(yīng)推動，比如激光技術(shù)、材料加工和電子通信。
發(fā)生非線性光學(xué)效應(yīng)所必需具備的一個條件是要有強(qiáng)度高和相干性好的光束，以往我們都是直接用非線性材料產(chǎn)生激光，但這個過程往往效率很低，而且不易人為控制。所以幾個參加石墨烯旗艦項目（Graphene Flagship project）的合作伙伴計劃用石墨烯材料試試，因為石墨烯有光諧波效應(yīng)，可以捕獲光子并將它們結(jié)合起來產(chǎn)生更強(qiáng)的光束。后來測試發(fā)現(xiàn)，石墨烯顯示出良好的光學(xué)響應(yīng)性，此外他們還找到了用電場控制這種效應(yīng)的方法。這就意味著光強(qiáng)實現(xiàn)人為可控，未來高速光通信有望實現(xiàn)。他們的實驗結(jié)果發(fā)表在《Nature Nanotechnology》期刊上，論文標(biāo)題為“Broadband, electrically tuneable, third harmonic generation in grapheme”（用電場調(diào)控石墨烯的能帶間隙并生成三次諧波）
對單層石墨烯進(jìn)行電場控制可以得到三次諧波，在這個過程中三個低頻光子（紅色）合在一起能產(chǎn)生一個高頻（藍(lán)色）光子，因此三次諧波的產(chǎn)生過程可用于制作光學(xué)變頻器。（圖片來源于劍橋大學(xué)的Giancarlo Soavi）
為了使光通信過程的數(shù)據(jù)傳輸量更大，科研人員需要用好石墨烯獨特的電子性能，創(chuàng)造石墨烯“開關(guān)”，在光纜傳輸數(shù)據(jù)的過程中實現(xiàn)光頻可控。
根據(jù)原理，弱光進(jìn)入介質(zhì)滿足線性效應(yīng)，頻率保持不變。但強(qiáng)光進(jìn)入介質(zhì)，由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)，除原來的頻率ω外，還將出現(xiàn)2ω、3ω等的高次諧波，這稱為非線性介質(zhì)的倍頻效應(yīng)，這種效應(yīng)在激光技術(shù)中有重要應(yīng)用。
但目前除石墨烯外大多數(shù)材料倍頻效應(yīng)的效率都比較低，所以石墨烯的應(yīng)用可能會促使制造超寬寬帶（巨型信息攜載量）的設(shè)備進(jìn)一步出現(xiàn)。
這篇論文的主要作者Giancarlo Soavi，同時也是英國劍橋大學(xué)劍橋石墨烯中心的研究員，用一些數(shù)據(jù)證明了石墨烯的獨特優(yōu)勢，他說：“從我們的實驗數(shù)據(jù)可看，通過調(diào)節(jié)外加電場，石墨烯中三次諧波的產(chǎn)生效率可以提高10倍以上。”
西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所的Frank Koppens教授，同時也是該石墨烯旗艦項目中光子學(xué)和光電子工作的領(lǐng)導(dǎo)者，他補(bǔ)充了石墨烯的一些其他獨特之處： “和大多數(shù)材料不同，石墨烯的三次諧波產(chǎn)生過程在很長的一個波長范圍內(nèi)具備可調(diào)諧性。這意味著在越來越多應(yīng)用偏向全光學(xué)應(yīng)用的當(dāng)下，這項工作已經(jīng)為多種技術(shù)鋪平了道路。”
這個項目管理委員會的主席Andrea C. Ferrari教授也說，“在光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域，石墨烯永遠(yuǎn)不會讓我們吃驚。” 他還強(qiáng)調(diào)說，“目前石墨烯旗艦公司已經(jīng)投入巨資對石墨烯的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究和開發(fā)，這次的合作只是其中一步，但是意義重大。因為我們證明了光學(xué)器件的工作頻率范圍可以比以往更廣泛，這就是說，大量處理和傳輸數(shù)據(jù)不再會是難題。”
