石墨烯

石墨烯问题释疑II

已有 589 次阅读2011-1-17 10:01|个人分类:石墨烯|系统分类:论文交流|关键词:科学家大尺度半导体六边形诺贝尔

因为与多位老师讨论，他们提出了疑问，为了更清楚解释，对原文作了修改，再次发表。我要强调这只是我们研究结果的一个推论，2009年长沙纳米会议上就提出了相关研究结论。在2010年诺贝尔物理奖的公告发表前就已经有定论的东西，只是当时并未拿起人们重视。诺奖公告中很多对于石墨稀的宏观应用预测，如石墨稀吊床等是不真实的，应该打假；但对于石墨稀微观性能研究还应继续深入，比如半导体器件等研究。

广为传播的网上石墨烯由多个正六边形组成的图案，是想当然的图案，因为边界处碳原子与两个碳原子连接，键长短强度大，而石墨烯内部碳原子与三个碳原子连接，键长长强度小，两者以现有试验数据，就可知化学键能差距约在40%左右（注意有误差，但差距明显不容否认），石墨烯边界处碳碳之间和内部碳碳之间，是不同的化学键在相互连接。这点得到了包括前诺奖得主在内的多位科学家认同。

石墨烯的特异性是依靠其边界而存在的，我们提出边界碳原子的色散作用导致石墨烯可以存在的微观结构本质原因。我们认为其悬浮态下，很难制备更大尺度超过数十微米的稳定的单层悬浮石墨烯。若石墨稀附着载体上，其尺寸会达到几十厘米级别，但是大尺寸石墨稀与微米级以下的石墨烯性质已经不同，此时若石墨稀悬浮，它会极不稳定而发生破裂或者褶皱（注意这也形成了新的边界，此时化学键的键角发生了变化）。诺奖公告中的与此相关的很多宏观应用的结论是不真实的。

打个比方就象两种不同强度的弹簧联接着碳原子，而边界处的碳原子受到短而更高强度的弹簧来连接，那么其结果是对于内的较弱强度长的弹簧会起到收紧的作用。而在表观上起到了限制石墨烯内部碳原子自由振动的作用，石墨烯才在现实中可以稳定存在，所以二维石墨烯才能有制备分离出来的可能。

因为键长键角不同，边界处石墨烯六边形结构会变形，而因为原子和原子间结构的紧密性，保持六边形必然使得相邻碳原子电子云受到色散应力，这一应力作用范围有限，但是它会想接力赛一样，将这一应力一级一级传递下去，而在微观尺度下，传递效率会很高，受不同角度和方向边界传递过来的这一色散应力作用，会发生抵消衰减的，石墨烯内部的就会难以稳定存在，所以石墨烯（我强调单一完整的悬浮）不可能获得尺寸无限增大。而且即使增大到数百微米的石墨烯与一微米大小的石墨烯相比，因为上述原因，其性质也会有差异，而且具体可以获得的石墨烯最大尺寸与制备时大气环境下的温度和压力也相关。

实际能稳定存在的石墨烯其内部每个碳碳化学键的电子云分布都要受到边界不同碳碳键导致的色散应力的影响，而达到一个动态均化的平衡，这是悬浮石墨稀能够存在的动力学基础。2010年诺奖得主应当是对此认识不清，诺奖委员会对

此也是未搞清楚，以为单层悬浮石墨烯可以达到作石墨烯吊床之类而写入其公告中。

为了方便大家理解，石墨烯之所以存在，实际是打个比方来说就像一个网球拍，这个网是固定在一个由收紧的边界“箍”上，而这个“箍”所能施加的色散应力是有限的，一旦这网变大，网中间的碳原子自有振动受到约束力会越来越小，一旦其振动超出化学键作用范围，这个网必然破损。石墨烯不能制备很大道理与此类似。这样比喻更形象，仅是为了向大家介绍采用。实际物理机理还要考虑的势函数和电子轨道分布的影响（实际这些理论本身误差也很大，目前可用的数据准确性差, 所以不罗列这些公式计算了，这些计算结果误差大，但不影响结论)，主要是利于大家理解这一问题。

诺奖研究者的很多结论和预期应用并不能推广到宏观尺度。根据其结果，因为热门，所发表的研究很多，但并未考虑到实际随着尺寸增大，其研究对象性质已经起了很大变化。诺奖和其后续很多研究者应当是忽视了这一问题。很多其材料研究存在跟风盲目的错误。

这一结论，不仅限于石墨烯，对于其他纳米材料也是一样的。十几纳米陶瓷粉体，可以在其熔点一半左右的温度成瓷，而微米级陶瓷粉体无法实现这一点，要到接近熔点温度才可以实现，这充分说明晶界的作用，固体材料纳米尺度与宏观尺度最大的物质结构差别之一就在于界面在其中的所占比例大小，换言之是界面化学键对于整个纳米结构都存在影响的尺寸，才是纳米材料的定义尺寸，对于每一种物质包括其同分异构体都会是不同的。除此之外，我们在其他纳米材料研究中，也测试到随着尺寸增大，在小于某一尺寸时，粉体地一些性质发生近似非线性的变化。

石墨烯释疑IV

已有 139 次阅读2011-3-6 22:05|个人分类:石墨烯|系统分类:科研笔记|关键词:石墨烯

石墨烯内部电子是如何运动的，诺奖得主的叙述还存在失误，前面有英国网友指出理论预测石墨烯特异电磁性能可以无限大，我当时未敢轻易下结论，所以在此予以回复。电磁波在石墨烯中似乎可以在二维平面上无障碍通过，但是石墨烯是有边界的固有结构会打破这一预言（褶皱也是一种障碍性边界），电磁波传输运动到边界处，边界处的电子受碳原子核的束缚，会发生运动方向改变，反过来会产生反向或者折射的电磁波（石墨烯这一看似平静的电子海面，实际可能是同波长而不同相位的波涛相互抵消的结果）。所以石墨烯内部电子和碳原子属于被来自不同方向的不同相位的电磁波所共同作用而受约束的状态。这就像我们物理实验中绷紧的绳振动实验一样，当两边被施以波长相同但相位不同的波动时，绳子表面看起来振动很小或不动。而这一振动大小和稳定，都与两端施加的应力限

制大小有关。石墨烯边界的可以产生波动限制应力是一个近似定值。石墨烯变大后，这一应力波限制不足以限制中间碳原子的自由振动，所以要么石墨烯破裂形成新边界，要么形成褶皱的新边界，石墨烯才能再次稳定。在衬底和溶液中是因为有了另外的界面限制应力或支撑力，才使得石墨烯能稳定存在的尺寸更大，此时石墨烯好分散，恰恰是由于此原因。多层石墨烯可以理解为一层以另一层为衬底，它在溶液中易分层就很好理解了。

另外，氟化石墨烯材料也存在分析不充分的问题，实际氟化石墨稀材料，其氟碳键在边界处也与其内部氟碳键有不同（一般粗略的会以为相同，实际虽然都是氟碳键，但此键非彼键，电子轨道杂化采用的是平均化，但是这一平均值也是与物质微观结构的位置相关而有差异的，对于量子化学的认识理解，应当更精确些，才是科学认识），诺奖得主科研小组所发论文似乎也未注意到此差别，这是物质结构使然。

我对于诺奖得主并无意见，对于其研究存在明显失误，也已经去信说明。此文只是中文版本。

石墨烯层数问题

已有 721 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？