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1、石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖物理与电子科学学院物理与电子科学学院石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖1.20101.2010年诺贝尔物理学奖获奖科学家简介年诺贝尔物理学奖获奖科学家简介2.2.神奇的石墨烯神奇的石墨烯3.3.诺贝尔奖的启示诺贝尔奖的启示石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖20102010年诺贝尔物理学奖授予年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家英国曼彻斯特大学科学家安德烈安德烈海姆海姆康斯坦丁康斯坦丁诺沃肖洛夫诺沃肖洛夫获奖原因：获奖原因：对石墨烯这一世界上最薄材料的开创性研究对石墨烯这一世界上最薄材料的开创性研究石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯
2、与诺贝尔物理学奖1.1.获奖者获奖者 安德烈安德烈海姆海姆 石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖 安德烈安德烈海姆（海姆（AndreGeimAndreGeim）英国曼彻斯特大学科学家。父母为德国人，英国曼彻斯特大学科学家。父母为德国人，19581958年年1010月出生于俄罗斯西南部城市索契，月出生于俄罗斯西南部城市索契，拥有荷兰国籍。拥有荷兰国籍。19871987年在俄罗斯科学院固体年在俄罗斯科学院固体物理学研究院获得博士学位，毕业在校工作物理学研究院获得博士学位，毕业在校工作三年后在英国和丹麦继续他的研究工作。现三年后在英国和丹麦继续他的研究工作。现受聘于英国曼彻斯特大学，受聘于英
3、国曼彻斯特大学，19941994年在荷兰奈年在荷兰奈梅亨大学担任副教授，也是荷兰代尔夫特大梅亨大学担任副教授，也是荷兰代尔夫特大学的名誉教授。他于学的名誉教授。他于20012001年加入曼彻斯特大年加入曼彻斯特大学任物理教授。在他的职业生涯中，海姆发学任物理教授。在他的职业生涯中，海姆发表了超过表了超过150150篇的顶尖文章，其中很多都发表篇的顶尖文章，其中很多都发表在自然和科学杂志上。在自然和科学杂志上。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖值得一提的是在发现石墨烯之前，值得一提的是在发现石墨烯之前，早在早在20002000年他还获得年他还获得“搞笑诺贝搞笑诺贝尔尔奖奖”通过磁性克服
4、重力，让一通过磁性克服重力，让一只青蛙悬浮在半空中。只青蛙悬浮在半空中。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖获奖感言：获奖感言：我个人从来没有期望能获得这个奖项。我个人从来没有期望能获得这个奖项。我做完睡得很香，因为我根本没有期望我做完睡得很香，因为我根本没有期望能拿奖。当有些人拿到诺贝尔奖后开始能拿奖。当有些人拿到诺贝尔奖后开始停止做科研，甚至停止做很多他该去做停止做科研，甚至停止做很多他该去做的事，并且其他方面的事物会缠绕着他的事，并且其他方面的事物会缠绕着他很多年，这样他更不能专心工作。但对很多年，这样他更不能专心工作。但对于我来说，我会像往常一样继续我的研于我来说，我会像往常一
5、样继续我的研究，认真工作，享受研究。究，认真工作，享受研究。”石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖康斯坦丁康斯坦丁诺沃肖洛夫诺沃肖洛夫石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖康斯坦丁康斯坦丁诺沃肖洛夫诺沃肖洛夫Konstantin NovoselovKonstantin Novoselov，英国曼彻，英国曼彻斯特大学科学家。斯特大学科学家。19741974年出生于俄年出生于俄罗斯的下塔吉尔，具有英国和俄罗罗斯的下塔吉尔，具有英国和俄罗斯双重国籍。斯双重国籍。20042004年诺沃肖洛夫在年诺沃肖洛夫在荷兰奈梅亨大学获得博士学位。荷兰奈梅亨大学获得博士学位。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨
6、烯与诺贝尔物理学奖 他们曾是师生，现在是同事，他们都出他们曾是师生，现在是同事，他们都出生于俄罗斯，都曾在那里学习，也曾一生于俄罗斯，都曾在那里学习，也曾一同在荷兰学习和研究，最后他们又一起同在荷兰学习和研究，最后他们又一起在英国制备出了石墨烯。在英国制备出了石墨烯。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖2.2.石墨烯简介：石墨烯简介：（1 1）石墨烯是单原子层的石墨）石墨烯是单原子层的石墨石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖n石墨是碳单质的同素异形体之一石墨是碳单质的同素异形体之一n地球上的生命都是以碳元素为基础的地球上的生命都是以碳元素为基础的n碳元素是神奇的六号元素，其单质
7、的众多同素异形碳元素是神奇的六号元素，其单质的众多同素异形体，从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半体，从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界温度的超导体导体到导体、绝热到良导热、高临界温度的超导体等。等。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖近近20年来年来,碳纳米材料一直是科技创新的前沿领碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域域富勒烯富勒烯 1985年发现年发现 1996年年 诺贝尔诺贝尔化学化学奖奖碳纳米管碳纳米管 1991发现发现 石墨烯石墨烯 2004年发现年发现石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理
8、学奖*钻石是已知最硬的矿石；钻石是已知最硬的矿石；石墨却是最软的矿石之一。石墨却是最软的矿石之一。*钻石是终极的研磨剂；石钻石是终极的研磨剂；石墨却是非常好的润滑剂。墨却是非常好的润滑剂。*钻石是一流的绝缘体；石钻石是一流的绝缘体；石墨却是良导体。墨却是良导体。*钻石通常是透明的；石墨钻石通常是透明的；石墨却是不透光的。却是不透光的。*钻石的结晶是立方晶系；钻石的结晶是立方晶系；石墨却是六方晶系。石墨却是六方晶系。*钻石的价值昴贵；石墨却钻石的价值昴贵；石墨却是相当廉价。是相当廉价。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨的特性：石墨的特性：（1 1）耐高温性）耐高温性 石墨的熔点为石
9、墨的熔点为385038505050，沸点，沸点42504250，即使经过超高，即使经过超高电弧灼烧，重量损失也很电弧灼烧，重量损失也很少，热膨胀系数也很小。少，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而增石墨强度随温度提高而增强，在强，在20002000时，石墨时，石墨强度提高一倍。强度提高一倍。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨的特性：石墨的特性：（2 2）导电导热性导电导热性:石墨的导电性比一般非金石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍，导热性超属矿高一百倍，导热性超过钢、铁、铅等金属材料，过钢、铁、铅等金属材料，导热系数随温度升高而降导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，低
10、，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。（银石墨成绝热体。（银1.6101.610-8-8 铜铜1.7101.710-8-8 铁铁1.0101.010-7-7 石墨石墨(8(813)1013)10-6-6,*m),*m)石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨的特性：石墨的特性：（3 3）化学稳定性）化学稳定性:石墨在常温下具有良好的石墨在常温下具有良好的化学稳定性，能耐酸碱、化学稳定性，能耐酸碱、耐有机溶剂的腐蚀。耐有机溶剂的腐蚀。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨的特性：石墨的特性：（3 3）润滑性润滑性:石墨的润滑性能取决于石石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大
11、，墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能摩擦系数越小，润滑性能越好。石墨为层状耐磨矿越好。石墨为层状耐磨矿物，其物，其BondBond粉碎功指数粉碎功指数高达高达45.03kw/t45.03kw/t，相较于，相较于粘土的粘土的7.1kw/t7.1kw/t、黄铁矿、黄铁矿的的8.9kw/t8.9kw/t，以及石英的，以及石英的12.77kw/t12.77kw/t高出许多高出许多.石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨的特性：石墨的特性：（4 4）抗热震性）抗热震性:石墨在高温下使用时能经石墨在高温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石致破
12、坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会墨的体积变化不大，不会产生裂纹。产生裂纹。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯的特性：石墨烯的特性：（1 1）石墨烯结构非常稳）石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了来适应外力，也就保持了结构稳定。结构稳定。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨
13、烯与诺贝尔物理学奖 （2 2）电子的运动速度达）电子的运动速度达到了光速的到了光速的1/3001/300，远远，远远超过了电子在一般导体中超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，烯中的电子，或更准确地，应称为应称为“载荷子载荷子”(electric charge carrier)”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中，的性质和相对论性的中微子非常相似。微子非常相似。石墨烯中的电子在轨道中石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散或引入外来原子而发生散射。射。石墨烯
14、与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖（3 3）石墨烯中电子的隧道）石墨烯中电子的隧道效应：效应：电子波能百分百地发生隧电子波能百分百地发生隧穿穿 事先在一片石墨烯晶事先在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压体上人为施加一个电压（相当于一个势垒），然（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。后测定石墨烯的电导率。一般认为，增加了额外的一般认为，增加了额外的势垒，电阻也会随之增加，势垒，电阻也会随之增加，但事实并非如此，因为所但事实并非如此，因为所有的粒子都发生了量子隧有的粒子都发生了量子隧道效应，通过率达道效应，通过率达100%100%。这也解释了石墨烯的超强这也解释了石墨烯的超强导电性：相对论
15、性的载荷导电性：相对论性的载荷子可以在其中完全自由地子可以在其中完全自由地穿行。穿行。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖（4 4）石墨烯有相当的不透）石墨烯有相当的不透光率：光率：研究也发现，尽管只有单研究也发现，尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度：可以吸相当的不透明度：可以吸收大约收大约2.3%2.3%的可见光。的可见光。而这也是石墨烯中载荷子而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。相对论性的体现。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖（5 5）石墨烯是有史以来被石墨烯是有史以来被证实的最结实的材料证实的最结实的材料,其其强度可达强度可达130
16、 GPa130 GPa，是钢，是钢的的100100多倍，其断裂强度多倍，其断裂强度达到了惊人的达到了惊人的42NM42NM-1-1；科学家发现了一些只科学家发现了一些只有有100100分之一头发丝宽度分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后，他们就的石墨烯薄片后，他们就开始使用原子尺寸的金属开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。刺，从而测试它们的强度。让科学家震惊的是，石墨让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还度比世界上最好的钢铁还高高100100倍！倍！石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖（5
17、 5）石墨烯是有史以来被石墨烯是有史以来被证实的最结实的材料证实的最结实的材料 如果将一张和食品保鲜如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜上，才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。厚度的石墨烯薄层。制造出一根从地面连向太空卫星、长达制造出一根从地面连向太空卫星、长达2300023000英里并且足够强韧的缆线，美国英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质科学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯石墨烯”
18、完全适合用来制造太空电梯缆完全适合用来制造太空电梯缆线！线！石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖（6 6）其他物理性质）其他物理性质 目前试验还证实了石墨烯目前试验还证实了石墨烯中的电子和空穴成对现象中的电子和空穴成对现象(Electron-Hole(Electron-Hole Symmetry)Symmetry)，半整数量子，半整数量子霍尔效应霍尔效应(Half-integer(Half-integer Quantum Hall Effect)Quantum Hall Effect)，室温量子霍尔效应室温量子霍尔效应(Room-Temperature(Room-Temperature
19、 Quantum Hall Effect)Quantum Hall Effect)等等多种独特的电子结构和性多种独特的电子结构和性质。质。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯的应用：石墨烯的应用：（1）用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料（2）制造超坚韧的防弹衣和）制造超坚韧的防弹衣和“太空电梯太空电梯”用的超韧缆用的超韧缆线线（3）用来强化材料研究表明石墨烯增强聚乙烯醇）用来强化材料研究表明石墨烯增强聚乙烯醇（PVA）复合材料只需要添加）复合材料只需要添加0.7%（重量比）的石墨烯（重量比）的石墨烯就可以使复合材料的拉伸强度提高就可以使复
20、合材料的拉伸强度提高76 同时其杨氏模同时其杨氏模量增加量增加62；石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯的应用：石墨烯的应用：（1）用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料（2）制造超坚韧的防弹衣和）制造超坚韧的防弹衣和“太空电梯太空电梯”用的超韧缆用的超韧缆线线（3）用来强化材料研究表明石墨烯增强聚乙烯醇）用来强化材料研究表明石墨烯增强聚乙烯醇（PVA）复合材料只需要添加）复合材料只需要添加0.7%（重量比）的石墨烯（重量比）的石墨烯 就可以使复合材料的拉伸强度提高就可以使复合材料的拉伸强度提高76 同时其杨氏同时其杨氏 模量增加模量增加62
21、；石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖（4）石墨烯晶体管）石墨烯晶体管 硅材料的加工极限一般认为是硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽。受物纳米线宽。受物理原理的制约，小于理原理的制约，小于10纳米后不太可能生产出性能稳纳米后不太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品。定、集成度更高的产品。除了已开发出了除了已开发出了10纳米级可实际运行的石墨烯晶纳米级可实际运行的石墨烯晶体管外，已研制出长宽均为体管外，已研制出长宽均为1个分子的更小的石墨烯晶个分子的更小的石墨烯晶体管。该石墨烯晶体管实际上是由单原子组成的晶体体管。该石墨烯晶体管实际上是由单原子组成的晶体管。管。石墨烯与诺贝尔物理学奖
22、石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯的制备石墨烯的制备一种是一种是SiC的的高温热解外延法或过渡族金属高温热解外延法或过渡族金属催催 化外延法化外延法另一种是轻微摩擦法或撕胶带法另一种是轻微摩擦法或撕胶带法第三种是化学第三种是化学修饰分散修饰分散/还原法还原法.石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖氧化石墨烯的改性氧化石墨烯的改性石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖氧化石墨烯的透明性氧化石墨烯的透明性石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖看了以上的介绍，如果你对石墨烯产生了兴趣的看了以上的介绍，
23、如果你对石墨烯产生了兴趣的话，不妨也可以尝试着话，不妨也可以尝试着DIY一下。其实很简单，一下。其实很简单，只要你一点石墨、有一卷胶带和一台显微镜就可只要你一点石墨、有一卷胶带和一台显微镜就可以了，当然还要加上足够的耐心。好了，现在你以了，当然还要加上足够的耐心。好了，现在你就可以像就可以像Geim教授一样开始在科学世界中的探教授一样开始在科学世界中的探索了。索了。石墨烯与诺贝尔物理学奖石墨烯与诺贝尔物理学奖启示启示创新性的基础就在我们身边，需要的是努力创新性的基础就在我们身边，需要的是努力去探索和发现去探索和发现科学研究要能够坐得住冷板凳，肯付出努科学研究要能够坐得住冷板凳，肯付出努力，还要积极思索力，还要积极思索要能够经受失败和挫折要能够经受失败和挫折从最基础做起从最基础做起