光學(xué)氣體成像技術(shù)精選(九篇)

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第1篇：光學(xué)氣體成像技術(shù)范文

關(guān)鍵詞 石墨烯； 二維晶體；最薄；光學(xué)性能；納米材料

中圖分類號U283.5 文獻標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2014）119-0135-02

在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)科學(xué)家以為，在現(xiàn)有溫度范圍內(nèi)不允許有二維晶體的存在。石墨烯的發(fā)現(xiàn)顛覆了這一理論。

1 發(fā)現(xiàn)石墨烯

本世紀(jì)40年代，英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈.K.海姆等首次制備出石墨烯。研究組將石墨分解成非常小的片狀結(jié)構(gòu)，從中剝離出更薄的石墨片層，用膠帶固定薄片兩側(cè)，撕開膠帶，將薄片分為更薄的兩片。如此反復(fù)，從而得到只剩一層碳原子的結(jié)構(gòu)，獲得了石墨烯。

2 石墨烯的結(jié)構(gòu)

用相對論量子物理學(xué)可以解釋其原子尺度上的特殊結(jié)構(gòu)。由于各碳原子間的連接柔軟并具韌性，有外力作用時，整個碳原子面像彈簧一樣發(fā)生形變，不需通過重排來適應(yīng)外力，保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)還使石墨烯具備優(yōu)秀的導(dǎo)電性。由于強原子作用力，當(dāng)電子沿軌道運行時，不會因為環(huán)境中其他原子或晶格缺陷發(fā)生散射。常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生碰撞，電子仍能維持其基本特征。

3 石墨烯的材料優(yōu)勢

1）比鉆石堅硬。原子間的強大作用力使石墨烯成為強度最高的材料。它是材料界最薄的物質(zhì)：將石墨烯制成約100納米厚，即可承受近兩噸重物品的壓力。這種薄而堅韌的特性，將作為添加劑在新型高強度復(fù)合材料中發(fā)揮廣泛應(yīng)用。

2）優(yōu)秀的導(dǎo)熱、導(dǎo)電及透光性。晶格結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定使石墨烯具有出色的導(dǎo)熱性。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體，由于原子和電子的相互碰撞，會以熱量的方式釋放能量，普通電腦芯片以此方式損失了70%以上的電能。而石墨烯則不同，其核內(nèi)力較大，電子運行穩(wěn)定，受外力能量損失小。石墨烯中電子運行的速度遠遠超過一般導(dǎo)體中電子運行的速度，為光速的1/300，具有超強的導(dǎo)電性。薄而堅韌的納米材料幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，將在光學(xué)領(lǐng)域有廣泛的研究空間。

4 石墨烯的應(yīng)用

石墨烯具有最薄、強度最高、優(yōu)秀的導(dǎo)熱導(dǎo)電性及高的光透過性。這些優(yōu)點使其在材料領(lǐng)域，特別是透明導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用中獨具優(yōu)勢，這類薄膜在光伏電池及液晶顯示屏等方面尤為重要。另外，高效儲能器件和高敏傳感器等方面，石墨烯也展示出很好的應(yīng)用前景。它的研究給科學(xué)領(lǐng)域提供了一個無限廣闊和充滿魅力的材料空間。

4.1制作透明電極及光學(xué)元件

已商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的透明薄膜材料是氧化銦錫 ，因銦是稀有金屬 ，制備層沉積需要嚴格的真空條件，特別是毒性大，其他的取代物亟待被尋找。作為納米材料界的新星 ， 石墨烯以其厚度最薄、比表面積大、超強的柔韌度，能夠在低密度的情況下形成導(dǎo)電網(wǎng)格的特點被作為氧化銦錫最完美的替代材料。其制備成本低、工藝簡單，高強度及柔韌性可在納米尺度內(nèi)按要求塑形。將石墨烯卷成管狀或球形碳納米管，將在多種領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。

無缺陷的石墨烯幾乎是透明的，透光率大于97%。用其制作光學(xué)器件，可使制備成本大幅度降低。使用石墨烯作為活性層材料，可實現(xiàn)從紫外線到太赫茲波寬光譜范圍內(nèi)的激光振蕩。同時石墨烯的超大比表面積和柔韌性及易功能化等特點還用于制作高柔性觸摸面板。其超乎尋常可調(diào)控的光學(xué)性能形成一個興趣極高的納米體系。

4.2超級電容器

石墨烯比多孔碳材料擁有更高的比表面積和電導(dǎo)率。用其制作的電容器，功能遠超化學(xué)電容。石墨烯電容器質(zhì)量小、儲能大、充電迅速、反復(fù)上萬次充放電不影響其使用性能，高壓下也能穩(wěn)定放電。與一維納米材料相比，石墨烯基電子器件可以將整個電路：電極、勢壘、分子開關(guān)集成在同一片層結(jié)構(gòu)上。制作成本低、功耗小。將為超級計算機技術(shù)、高分辨率成像、軍事雷達、高頻寬帶通信領(lǐng)域開辟新的途徑。

4.3復(fù)合材料

石墨烯擁有獨特的機械和電學(xué)性能，在納米增強材料方面有許多新應(yīng)用。作為添加劑使用，可顯著改善聚合物的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及力學(xué)性質(zhì)。例如制造功能性復(fù)合材料，高分子導(dǎo)電材料和高強度多孔陶瓷等。另外，將半導(dǎo)體或金屬納米粒子與納米級石墨烯層片進行表面制備，可豐富石墨烯的層間結(jié)構(gòu)，減少片層之間的相互作用，阻斷團聚，以更好的保持各片層的獨立機能，并產(chǎn)生新的協(xié)同效應(yīng)，使性能更穩(wěn)定，一般的化學(xué)修飾劑難以做到這些。石墨烯的加入使復(fù)合材料的功能性能多樣化，成功吸引了科學(xué)研究者的關(guān)注，已成為納米材料界研究的熱點。

5 石墨烯的制備方法

物理和化學(xué)方法是合成石墨烯的主要手段。

1）微機械分離法：用外力把單層晶片從大石墨晶體中分離，獲得單層石墨烯片，片層完整，但尺寸不易控制，重復(fù)性差，只能制造實驗室使用的小尺寸石墨烯樣本；

2）溶劑分離法：將石墨或EG加入水或某種有機溶劑， 借助超聲波、加熱或氣流的作用制備一定濃度的單層或多層石墨烯溶液。其原料成本低，不涉及化學(xué)反應(yīng)過程，操作簡單，純度高。但產(chǎn)率低，片層二次團聚現(xiàn)象嚴重，穩(wěn)定劑殘留不易去除；

3）化學(xué)氣相沉積：金屬或金屬化合物作催化劑，在高溫下使反應(yīng)腔中的含碳氣體生成石墨烯前體，沉積在不同襯底上。這是目前工業(yè)大規(guī)模制備石墨烯所采用的方式。但襯底的選擇亟待研究，且制取的石墨烯不具備量子霍爾效應(yīng)；

4）氧化-還原法：氧化過的石墨借助超聲或離心外力分散到溶劑中得到石墨烯前體，再用還原劑回流制備。氧化還原法是目前低成本產(chǎn)業(yè)化制備石墨烯的有效方法。可滿足工業(yè)較大尺寸的石墨烯生產(chǎn)要求。但氧化過的石墨烯不易還原，使其電學(xué)性能下降。并且，現(xiàn)階段采用的還原劑中有些還存在較大毒性，還原后各片層間易發(fā)生團聚。所以，無污染的新型還原劑有待于研究并改進。

石墨烯具有優(yōu)異的透光、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和整齊的二維結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性高、比表面積大，可作為高性能納米復(fù)合材料承載許多應(yīng)用，當(dāng)前最具前景的應(yīng)用有太陽能電池、傳感器、晶體管等。在未來的研發(fā)中也存在許多挑戰(zhàn)：提高質(zhì)量，擴大規(guī)模；材料性能有待進一步研究；探索新的應(yīng)用及跨學(xué)科領(lǐng)域，并為進一步工業(yè)化的實現(xiàn)而努力。

參考文獻

[1]X.R.Zhang，S.G.Li，X.Jin，etal.A new photo electrochemical aptasensor for the detection of thrombin based on functionalized graphene and CdSe nanoparticles multilayers [J]mun.，2011， 47（17）： 4929-4931.