炭素材料

• 英语“Carbon”和日语“炭素”一词概指碳元素，又指炭材料。 材料和元素属两种不同概念，用同一词表示必然性常引起混 乱。“国际碳术语与表征委员会”曾建议将元素碳（Carbon as element）和材料类（Carbon as Solid）加以区分，并提出 一些办法，但仍不能解决问题。我国的汉字恰好有对应的 5 “炭”和“碳”两字，因此我们应很好地沿用这两个汉字的 2015-5-27
炭素材料 Carbon material
张传祥
矿物加工工程系 材料科学与工程学院
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引 言
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Outline
碳与炭的区别
浅谈石墨烯
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碳与炭的区别
• “降低煤炭消耗，提倡低碳生活”，同样都是“tan”为什么 一个用“碳”另一个用“炭”两者有什么区别呢？为什么 有时有“炭材料”，有时又有“碳材料”见诸报章杂志？ 对于从事“炭材料”的专业人员来说，这些已不是问题， 但一些普通人却常感到困惑，有时一头雾水。 • 其实，“炭”、“碳”区分早在上世纪80年代，我国煤炭 科学界老前辈黄启震就经过仔细考证，追本溯源，对炭与 碳的起源，用法以及当时存在的两者混用的原因做了详尽 地论述，提出了正确区分使用的建议。随后国内炭材料界 的同仁大多数认同了这一建议，特别是国内重要学术刊物 “新型炭材料”在上世纪末改版时更明确了这一点（”新 型炭材料” 1998 No.3.63）
但是，K. S. Novoselov, A. K. Geim等人, 用1999年就被提出的方法， 在提出者没有做成功的背景下, 在2004年得到稳定的石墨烯片。
这项成果使得 1929年就被提出的、在物理学上有重大理论价值的、 有关Klein隧穿效应（二维Dirac方程）提供了检验（实验测量）的必要 器件（2009年)。以及, 测量分数量子Hall效应, 精细结构常数等的方法. 这就为: 对近70年时间跨度的有关理论研究提供了实验研究的直接推动 力.
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论 文
Novoselov 2015-5-27 et al, Science 306, 666 (2004)
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制
备
In 2008: Auto consumes 60% of all fuel consumption in China
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背
景
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5 m
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pencil, paper and sticky tape 18
科学精神
A serious game
• “Making people laugh first and think second” • In 1997, a frog levitate in a magnetic field Ig nobel prize in 2000
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石墨烯
石墨烯一度被认为是学术分子(academic molecule),物理学家 曾认为任何二维晶体在有限温度下不允许存在。2004年 Science上的一篇文章立即震撼了整个凝聚态物理界。 激
发了来自化学，物理，材料，工程等各个学科科学家的兴
趣。有人曾预测,第一个基于石墨烯的芯片或许10年就后出 现。果真如此?让我们拭目以待 。
1984年, 该方程与Dirac方程的相似性被发现: G. W. Semenoff, Condensed-matter simulation of a three-dimensional anomaly, Physical Review Letters 53, 2449-2453, 1984; 以及, D. P. DiVincenzo & E. J. Mele, Self-consistent effective-mass theory for intralayer screening in graphite intercalation compounds, Physical Review B, 29, 1685-1694, 1984
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怀疑精神
主线: 理论到实验的历程 1947年, 提出石墨烯的概念, 理论探讨(电子结构和线性频散关系): P. R. Wallace, The band theory of graphite, Phys. Rev. 71, 622-634, 1947）
1956年, 建立石墨烯的激发态的波动方程: J. W. McClure, Diamagnetism of Graphite, Physical Review, 104, 666-671, 1956
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怀疑精神
理论到实验的历程
2010年的物理学诺奖给K. S. Novoselov, A. K. Geim. 在文告中给出了 如下信息: 从1947年石墨烯概念的提出, 到2004年成功制作成石墨烯的科学研 究工作. 这是一个历时近57年的过程. 而在1962-2000年的有关研究都给出: 不能制作成石墨烯的“结论”.
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表 征
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表 征
0Å 9Å 13Å
1 m
1 μm
Au contacts
SiO2 Si
GRAPHENE
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Novoselov 2015-5-27 et al, Science 306, 666 (2004)
Graphene: easy to make, hard to find.
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Hale Waihona Puke Baidu
怀疑精神
主线: 理论到实验的历程 2004年, 用该方法, 得到稳定的石墨烯片: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V.
Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films , Science 306, 666-669, 2004;
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THE NOBEL PRIZE IN PHYSICS 2 010
The Nobel Prize in Physics 2010 was awarded jointly to Andre Geim and Konstantin Novoselov "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene"
安 德 烈 · 盖 姆
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康斯坦丁·诺沃肖罗夫
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THE NOBEL PRIZE IN PHYSICS 2 010
INFORMATION FOR THE PUBLIC
A thin flake of ordinary carbon, just one atom thick, lies behind this year’s Nobel Prize in Physics. Andre Geim and Konstantin Novoselov have shown that carbon in such a flat form has exceptional properties that originate from the remarkable world of quantum physics.
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浅谈石墨烯
2010年若贝尔物理学奖授予了谁？为什么？ 随着2010年诺贝尔物理奖颁给英国曼彻斯特大学 51岁的俄裔荷籍教授安德烈· 海姆和曾是他的博士生 36岁的俄裔英、俄双重国籍的教授康斯坦丁· 诺沃肖
洛夫之后，“石墨烯”这一专业名词突然进入人们
的眼帘，并广为人知，但石墨烯是什么？它存在于 何处？用什么办法可以制得？它又有什么实用价值？
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碳与炭的区别
• “炭”是古已有的汉字，早见于后汉“说文解字中”，在 “碳“字出现之前，不管是天然炭（煤炭）还是人造炭（木 炭、煤炭）都用的是“炭”字。“碳”字则是在上世纪30年 代，随着近代自然科学发展，特别是化学元素的发现和发展 才在我国出现的，当时民国政府教育部在“化学命名原则” 中，明确将元素周期表中原子序数第6号的“C”命名为非金 属类中的“碳”。
随后的一系列实验进一步证实及扩充有关的研究成果: K. S. Novoselov, A. K. Geim,
S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, and A. A. Firsov, Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in grapheme, Nature, 438, 197-200, 2005 Y. B. Zhang, Y. W. Tan, H. L. Stormer, and P. Kim, Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene, Nature, 438, 201-204, 2005 K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, and A. K. Geim, Two-dimensional atomic crystals, Proceedings of the national academy of sciences of united states of America, 102, 10451-10453, 2005 I. I. Barbolina, K. S. Novoselov, S. V. Morozov, S. V. Dubonos, M. Missous, A. O. Volkov, D. A. Christian, I. V. Grigorieva, and A. K. Geim, Submicron sensors of local electric field with single-electron resolution at room temperature, Applied physics letters, 88, 013901, 2006
1999 年, 提出实验方法, 但是没有做成功: X. K. Lu, M. F. Yu, H. Huang, and R. S. Ruoff, Tailoring Graphite with the Goal of Achieving Single Sheets, Nanotechnology, 10, 269-272, 1999
碳与炭的区别
• 基于上述原则“全国科学名词审定委员会”早在2003年4月 便提出了征求意见稿，将“炭”“碳”二字的用法予以明确 区别。2006年“中国科技术语”，进一步规范了这两字的用 法。 • 简而言之，凡对应元素C及其相关的衍生词派生词均用 “碳”,如碳元素，碳键，二氧化碳，渗碳等，而以含碳元素 为主的其他物质和材料则用“炭”，如煤炭、焦炭、炭黑、 炭纤维等。 • “碳化”是指溶液中通过CO2生成碳及碳酸盐的过程，而 “炭化”指有机物热解后生成“炭”的过程； • “炭材料”一般指有机物炭化后形成的材料，如炭纤维、炭 电极、活性炭等；“碳材料”则指含碳元素在99.9%以上的 物质，如碳纳米管、碳60等。 6
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浅谈石墨烯
就在我们身边
其实，石墨烯就在我们身边，铅笔痕中就有。
6B铅笔芯是由80%石墨加20%粘土制成，字迹越黑表示字 迹中石墨烯的层数也就更多。早在1564年德国就已经开始用 石墨工业规模制造铅笔，但是直到1779年人们才知道石墨是 碳元素的一种物质形式，并用希腊词意为“写”的“graphite” 为其命名。石墨是一层层的按六角形排列的碳原子网面，因 层间分子间的相互作用力而平行堆叠，其中的每一张网平面 就是石墨烯。如同一张铁丝网，如图所示。 8
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Graphene is a form of carbon. As a material it is completely new – not only the thinnest ever but also the strongest. As a conductor of electricity it performs as well as copper. As a conductor of heat it outperforms all other known materials. It is almost completely transparent, yet so dense that not even helium, the smallest gas atom, can pass through it.