石墨烯为“何方神圣”？详解石墨烯的特点和应用
来源：宝鄂实业
2019-06-02 21:06
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石墨烯为“何方神圣”
石墨烯结构一直被认为是理论模型，难以单独稳定存在，直到2004年英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫通过简单的“机械剥离法”，利用“胶带”从石墨表面“撕”出了单层的碳材料——石墨烯，证实了它可以单独存在。这两位科学家也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，摘得了2010年诺贝尔物理学奖的桂冠。
石墨烯是单原子层的二维晶体材料，是人们发现的第一种由单层原子构成的材料，也是结构最为简单的碳材料。铅笔里用的石墨可以看作由石墨烯层层堆叠而成，因此，石墨烯也被视作“单层石墨”。
石墨烯的特点和应用
石墨烯是目前已知的世界上最薄、 最强、 导热性最好且拥有强大柔韧性的纳米材料：它可以薄到只有一个碳原子的厚度，1毫米厚的石墨薄片能剥离出300万片石墨烯；它的强度比钢还要高100倍；它也有优异的导电性；还具有在可见光下透明但不透气等特殊的性质。
由于身怀诸多“绝技”，“出世”仅10多年的石墨烯已引无数科学家竞折腰，不愧为新材料家族的“高帅富”。
它可用来制造透明触摸屏、超灵敏的传感器、电池、发光二极管（LED）等；还可用来制造防弹衣、航空航天材料；并有可能成为硅的替代品，在半导体领域“大显身手”。
21世纪的神奇材料 “石墨烯”，承载了人们对未来生活的诸多美好想象。未来10年这些想象可能就会变成现实，让我们拭目以待吧！
激光问世之前，科学界基本上都在研究弱光束在介质中的传播，这种条件下介质的光学性质与光强无关，而且光波叠加时遵守线性叠加原理，所以此类光学问题称为线性光学。
但激光问世后，这种电场强度可与原子内部的库仑场强度相当的光波与介质间会发生相互作用，产生非线性效应，进而导致线性光学不能解释的一些新现象出现。随着非线性光学效应不断发展，很多技术应用也被相应推动，比如激光技术、材料加工和电子通信。
发生非线性光学效应所必需具备的一个条件是要有强度高和相干性好的光束，以往我们都是直接用非线性材料产生激光，但这个过程往往效率很低，而且不易人为控制。所以几个参加石墨烯旗舰项目（Graphene Flagship project）的合作伙伴计划用石墨烯材料试试，因为石墨烯有光谐波效应，可以捕获光子并将它们结合起来产生更强的光束。后来测试发现，石墨烯显示出良好的光学响应性，此外他们还找到了用电场控制这种效应的方法。这就意味着光强实现人为可控，未来高速光通信有望实现。他们的实验结果发表在《Nature Nanotechnology》期刊上，论文标题为“Broadband, electrically tuneable, third harmonic generation in grapheme”（用电场调控石墨烯的能带间隙并生成三次谐波）
对单层石墨烯进行电场控制可以得到三次谐波，在这个过程中三个低频光子（红色）合在一起能产生一个高频（蓝色）光子，因此三次谐波的产生过程可用于制作光学变频器。（图片来源于剑桥大学的Giancarlo Soavi）
为了使光通信过程的数据传输量更大，科研人员需要用好石墨烯独特的电子性能，创造石墨烯“开关”，在光缆传输数据的过程中实现光频可控。
根据原理，弱光进入介质满足线性效应，频率保持不变。但强光进入介质，由于介质的非线性效应，除原来的频率ω外，还将出现2ω、3ω等的高次谐波，这称为非线性介质的倍频效应，这种效应在激光技术中有重要应用。
但目前除石墨烯外大多数材料倍频效应的效率都比较低，所以石墨烯的应用可能会促使制造超宽宽带（巨型信息携载量）的设备进一步出现。
这篇论文的主要作者Giancarlo Soavi，同时也是英国剑桥大学剑桥石墨烯中心的研究员，用一些数据证明了石墨烯的独特优势，他说：“从我们的实验数据可看，通过调节外加电场，石墨烯中三次谐波的产生效率可以提高10倍以上。”
西班牙巴塞罗那光子科学研究所的Frank Koppens教授，同时也是该石墨烯旗舰项目中光子学和光电子工作的领导者，他补充了石墨烯的一些其他独特之处： “和大多数材料不同，石墨烯的三次谐波产生过程在很长的一个波长范围内具备可调谐性。这意味着在越来越多应用偏向全光学应用的当下，这项工作已经为多种技术铺平了道路。”
这个项目管理委员会的主席Andrea C. Ferrari教授也说，“在光学和光子学领域，石墨烯永远不会让我们吃惊。” 他还强调说，“目前石墨烯旗舰公司已经投入巨资对石墨烯的光学性质进行研究和开发，这次的合作只是其中一步，但是意义重大。因为我们证明了光学器件的工作频率范围可以比以往更广泛，这就是说，大量处理和传输数据不再会是难题。”
