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2010年諾貝爾物理學獎提高了石墨烯的知名度——石墨烯是一種超強單原子厚的碳原子片,以六邊形排列,具有無數潛在的商業應用。這種材料可以極好地導熱和導電,同時還具有透明和高度柔韌性,使其成為改進燃料電池、電子產品甚至衛生用品的理想候選材料。
石墨烯能否兌現其作為各種產品變革者的潛力,取決於兩個關鍵因素——平整度和純度。利用掃描透射X射線顯微鏡和近邊X射線吸收精細結構(NEXAFS)光譜學,一個由布法羅大學(紐約州立大學的一部分)領導的研究人員團隊發現,石墨烯片中的褶皺和波紋,以及/或加工過程中偶然的汙染物——可能隱藏在這些皺紋中——會擾亂並減緩電子在整個片材中的流動,從而損害其導電效能。
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一項發表在6月28日《自然通訊》上的研究表明,這意味著簡單的加工缺陷會嚴重降低石墨烯的效能。(《大眾科學》是自然出版集團的一部分。)在理想條件下,電子“雲”排列在石墨烯樣品的表面,從而實現電子的高速傳輸。然而,根據該團隊的說法,這些樣品中的皺紋和缺陷會扭曲電子雲並造成瓶頸,該團隊還包括來自美國國家標準與技術研究院(NIST)、勞倫斯伯克利國家實驗室的分子鑄造廠和SEMATECH研究聯盟的科學家。
科學家們將石墨烯的導電性比作銅,並將石墨烯的導熱性稱為已知材料中最好的。儘管如此,這項研究表明,石墨烯在導電油墨、超高速電晶體和太陽能電池板等產品中的成功應用可能取決於對材料的特性和行為的進一步深入瞭解。
研究人員並未對石墨烯的近期成功潑冷水,實際上還提出了可能的解決方案。NIST的研究人員能夠在加熱石墨烯樣品的同時進行詳細的光譜測量,發現當樣品達到150攝氏度時,神秘的、破壞性的峰值消失了。這表明電子雲中的擾動不是化學結合的,而是吸附在表面可以去除的汙染物。
在第一張圖中,紅色區域描繪了石墨烯中的褶皺,而綠色區域是相對平坦的區域。電子雲中存在的“丘陵和山谷”可以充當減速帶,阻止電荷流過材料。圖片來源:布法羅大學Brian J. Schultz和Christopher J. Partridge
在第二張圖中,虛線顯示了石墨烯的不同角度傾斜的獨特區域。軟X射線描繪了石墨烯電子雲的鳥瞰圖。圖片來源:Brian J. Schultz