石墨烯的晶格缺陷对其性能的影响 - 中国粉体网

2018-04-16 06:55:38 4

中国粉体网讯  石墨烯是一种二维晶体,由碳原子按照六边形进行排布,相互连接,形成一个碳分子,其结构非常稳定;随着所连接的碳原子数量不断增多,这个二维的碳分子平面不断扩大,分子也不断变大。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度,即0.335纳米,是已知的最薄的一种材料。

 

石墨烯的晶格缺陷


理想的石墨烯材料具有高透光率、超高载流子迁移率、高比表面积、极高的层内热导率和极高的杨氏模量等。但在实际制备过程中,几乎无法获得完美结构的石墨烯而不可避免地含有各种晶格缺陷,如点缺陷、双空位缺陷、三角形空位缺陷、Stone-Wales 拓扑缺陷和线缺陷等,如图所示。


图片关键词


  • 点缺陷包括由于晶格碳原子离开格点位置而形成的单空位缺陷或由外来杂质原子替代碳原子而形成的掺杂缺陷两种。


  • 双空位缺陷是由于单空位缺陷的融合或相邻两个晶格碳原子的缺失而产生的,只需提供18 ~20 eV 的能量即可使碳原子离开格点位置而移到表面。


  • Stone-Wales 拓扑缺陷,又称五边形-七边形缺陷,是石墨烯中典型的拓扑缺陷之一,其形成原因是 C-C 键围绕其中点旋转 90°后而导致局部出现五边形环和七边形环的结构。


  • 线缺陷是由于在石墨烯片层中具有不同取向的晶区之间的分界线而导致的。


晶格缺陷对材料性能的影响


由于石墨烯并不是天然条件下存在的产物,人工制备的石墨烯基于各种制备方法的限制,其结构中存在各种缺陷,这些缺陷影响着石墨烯的物理化学性质。


缺点:

晶格缺陷由于破坏了石墨烯晶体的完美对称结构,对石墨烯性能的负面影响主要体现在导电性、导热性及机械性能方面。如几乎所有晶格缺陷均会强烈影响石墨烯的电子结构和电子输运性;三角形缺陷会导致石墨烯热传导性能的下降;位错等缺陷的存在,会使材料易于断裂,因为相应的抗拉强度可降低至完美晶体的几十分之一。


优点:

石墨烯中的晶格缺陷虽然打破了其完美的晶体结构,但明显改善了石墨烯的半导体性能、离子扩散系数、分散性及反应活性,拓展了其应用领域。如空位缺陷所产生的空隙为离子的传输开辟了通道,增加了石墨烯对离子和气体小分子的通透性,改善了离子扩散系数和反应活性,空位和掺杂缺陷则增强了吸附原子与石墨烯之间的相互作用。


晶格缺陷对石墨烯性能的影响有利也有弊。因此,目前对石墨烯的研究不仅集中在制备完美无缺的石墨烯材料上,制备晶格缺陷可控的石墨烯材料,并充分发挥石墨烯中晶格缺陷的优势也是将来石墨烯研究领域中一个主要的研究方向。