1、新材料石墨烯及其應用石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，以sp2雜化軌道組成，六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在， 直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈 海姆和康斯坦丁 諾 沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由，共同獲得 2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；導熱系數高達5300 W/mK,高于碳納米 管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過 1500

2、0 cm²/Vs,又比納 米碳管或硅晶體高，而電阻率只約 10-6 Q cmt匕銅或銀更低，為目 前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極 快，因此被期待可用來發展出更薄、 導電速度更快的新一代電子元件 或晶體管。由于石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來 制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。石墨烯另一個特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應。石墨烯的結構非常穩定，石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌， 當施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新 排列來適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯 具有優秀的導熱性。

3、石墨烯是構成下列碳同素異形體的基本單元：石墨，木炭，碳納 米管和富勒烯。完美的石墨烯是二維的，它只包括六邊形（等角六邊形）;如果有五邊形和七邊形存在，則會構成石墨烯的缺陷。12個五 角形石墨烯會共同形成富勒烯。石墨烯卷成圓桶形可以用為碳納米管;另外石墨烯還被做成彈道晶體管并且吸引了大批科學家的興趣。在2006年3月，佐治亞理工學院研究員宣布，他們成功地制造了石墨烯 平面場效應晶體管，并觀測到了量子干涉效應，并基于此結果，研究 出以石墨烯為基材的電路.一特性1電子運輸在發現石墨烯以前，大多數（如果不是所有的話）物理學家認為， 熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發現立即震撼了

4、凝聚態物理界。雖然理論和實驗界都認為完美的二維結構 無法在非絕對零度穩定存在，但是單層石墨烯在實驗中被制備出來。這些可能歸結于石墨烯在納米級別上的微觀扭曲。石墨烯還表現出了異常的整數量子霍爾行為。其霍爾電導 =2e²/h,6e²/h,10e²/h.為量子電導的奇數倍，且可 以在室溫下觀測到。這個行為已被科學家解釋為電子在石墨烯里遵守相對論量子力學，沒有靜質量”。石墨烯結構非常穩定，迄今為止，研究者仍未發現石墨烯中有碳 原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適 應

5、外力，也就保持了結構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優 秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時， 不會因晶格缺陷或引 入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使 周圍碳原子發生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。石墨烯最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的 1/300,遠遠 超過了電子在一般導體中的運動速度。 這使得石墨烯中的電子，或更 準確地，應稱為 載荷子”(electriccharge carrier),的性質和相對論性 的中微子非常相似。石墨烯是人類已知強度最高的物質，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學的物理學家對石墨烯的

6、機械特性進行了全面的研究。在試驗過程中，他們選取了一些直徑在 1020微米的石墨烯微粒作為研究對象。研究人員先是將這些石墨烯 樣品放在了一個表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在 11.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對這些放置在小孔 上的石墨烯施加壓力，以測試它們的承受能力。研究人員發現，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離 上可承受的最大壓力居然達到了大約 2.9微牛。據科學家們測算，這 一結果相當于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長的石墨烯斷裂。 如果物理學家們能制取出厚度相當于普通食品塑料包裝袋的(厚度約100納米)石墨烯，那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其

7、扯斷。換句話說，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的 物品。2電子的相互作用利用世界上最強大的人造輻射源， 美國加州大學、哥倫比亞大學和勞 倫斯伯克利國家實驗室的物理學家發現了石墨烯特性新秘密：石墨 烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強烈的相互作用。科學家借助了美國勞倫斯伯克利國家實驗室的 先進光源（ALS） ”電 子同步加速器。這個加速器產生的光輻射亮度相當于醫學上 X射線強 度的1億倍。科學家利用這一強光源觀測發現， 石墨烯中的電子不僅 與蜂巢晶格之間相互作用強烈，而且電子和電子之間也有很強的相互 作用。二制備方法石墨烯的研究熱潮也吸引了國內外材料制備研究的興趣，石墨烯

8、材料的制備方法已報道的有：機械剝離法、化學氧化法、晶體外延生 長法、化學氣相沉積法、有機合成法和碳納米管剝離法等。1微機械剝離法2004年，Geim等首次用微機械剝離法，成功地從高定向熱裂解 石墨（highly oriented pyrolytic graphite）上剝離并觀測到單層石墨烯。 Geim研究組利用這一方法成功制備了準二維石墨烯并觀測到其形貌， 揭示了石墨烯二維晶體結構存在的原因。 微機械剝離法可以制備出高 質量石墨烯，但存在產率低和成本高的不足，不滿足工業化和規模化 生產要求，2004年只能作為實驗室小規模制備。2化學氣相沉積法化學氣相沉積法首次在規模化制備石墨烯的問題方面有了

9、新的突破 （參考化學氣相沉積法制備高質量石墨烯）。CVD法是指反應物質在氣 態條件下發生化學反應，生成固態物質沉積在加熱的固態基體表面， 進而制得固體材料的工藝技術。麻省理工學院的Kong等、韓國成均館大學的Hong等和普渡大學的Chen等在利用CVD法制備石墨烯。他們使用的是一種以鐐為基 片的管狀簡易沉積爐，通入含碳氣體，如：碳氫化合物，它在高溫下 分解成碳原子沉積在鐐的表面，形成石墨烯，通過輕微的化學刻蝕， 使石墨烯薄膜和鐐片分離得到石墨烯薄膜。這種薄膜在透光率為80% 時電導率即可達到1.1 X i06S/m成為透明導電薄膜的潛在替代品。用 CVD法可以制備出高質量大面積的石墨烯，但是理

10、想的基片材料單晶鐐的價格太昂貴，這可能是影響石墨烯工業化生產的重要因素。CVD法可以滿足規模化制備高質量石墨烯的要求， 但成本較高，工藝復雜。3氧化-還原法氧化-還原法制備成本低廉且容易實現，成為制備石墨烯的最佳 方法，而且可以制備穩定的石墨烯懸浮液， 解決了石墨烯不易分散的 問題。氧化-還原法是指將天然石墨與強酸和強氧化性物質反應生成 氧化石墨（GO）,經過超聲分散制備成氧化石墨烯（單層氧化石墨），加 入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團，如愈基、環氧基和羥基，得 到石墨烯。氧化-還原法被提出后，以其簡單易行的工藝成為實驗室制備石 墨烯的最簡便的方法，得到廣大石墨烯研究者的青睞。Ruoff等發

11、現通過加入化學物質例如二甲腓、對苯二酚、硼氫化鈉 （NaBH4）和液腓 等除去氧化石墨烯的含氧基團，就能得到石墨烯。氧化-還原法可以制備穩定的石墨烯懸浮液，解決了石墨烯難以分散在溶劑中的問題。氧化-還原法的缺點是宏量制備容易帶來廢液污染和制備的石墨烯存 在一定的缺陷，例如，五元環、七元環等拓撲缺陷或存在 -OH基團的 結構缺陷，這些將導致石墨烯部分電學性能的損失，使石墨烯的應用 受到限制。4溶劑剝離法溶劑剝離法的原理是將少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的 分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力， 此時溶劑可以 插入石墨層間，進行層層剝離，制備出石墨烯。此方法不會像氧化-還原法那樣破壞

12、石墨烯的結構，可以制備高質量的石墨烯。在氮甲基 毗咯烷酮中石墨烯的產率最高（大約為8%）,電導率為6500S/m。研究 發現高定向熱裂解石墨、熱膨脹石墨和微晶人造石墨適合用于溶劑剝 離法制備石墨烯。溶劑剝離法可以制備高質量的石墨烯，整個液相剝 離的過程沒有在石墨烯的表面引入任何缺陷，為其在微電子學、多功能復合材料等領域的應用提供了廣闊的應用前景。缺點是產率很低。5溶劑熱法溶劑熱法是指在特制的密閉反應器（高壓釜）中，采用有機溶劑作 為反應介質，通過將反應體系加熱至臨界溫度（或接近臨界溫度），在 反應體系中白身產生高壓而進行材料制備的一種有效方法。溶劑熱法解決了規模化制備石墨烯的問題， 同時也帶來

13、了電導率很低 的負面影響。為解決由此帶來的不足，研究者將溶劑熱法和氧化還原 法相結合制備出了高質量的石墨烯。 Dai等發現溶劑熱條件下還原氧 化石墨烯制備的石墨烯薄膜電阻小于傳統條件下制備石墨烯。溶劑熱法因高溫高壓封閉體系下可制備高質量石墨烯的特點越來越受科學 家的關注。溶劑熱法和其他制備方法的結合將成為石墨烯制備的又一矣:點。6其它方法石墨烯的制備方法還有高溫還原、光照還原、外延晶體生長法、 微波法、電弧法、電化學法等。筆者在以上基礎上提出一種機械法制 備納米石墨烯微片的新方法，并嘗試宏量生產石墨烯的研究中取得較 好的成果。如何綜合運用各種石墨烯制備方法的優勢，取長補短，解 決石墨烯的難溶解

14、性和不穩定性的問題，完善結構和電性能等是今后 研究的熱點和難點，也為今后石墨烯的制備與合成開辟新的道路。三應用前景1納電子器件方面2005年，Geim研究組與Kim研究組發現，室溫下石墨烯具有10 倍于商用硅片的高載流子遷移率（約10 am /Vs）,并且受溫度和摻雜效 應的影響很小，表現出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性（300 K下可達 0.3 m）,這是石墨烯作為納電子器件最突出的優勢，使電子工程領域 極具吸引力的室溫彈道場效應管成為可能。 較大的費米速度和低接觸 電阻則有助于進一步減小器件開關時間，超高頻率的操作響應特性是 石墨烯基電子器件的另一顯著優勢。 此外，石墨烯減小到納米尺度甚 至

15、單個苯環同樣保持很好的穩定性和電學性能，使探索單電子器件成為可能。利用石墨烯加入電池電極材料中可以大大提高充電效率，并且提高電池容量。白我裝配的多層石墨烯片不僅是鋰空氣電池的理想設計， 也可以應用于許多其他潛在的能源存儲領域如超級電容器、電磁炮等。此外，新型石墨烯材料將不依賴于鉗或其他貴金屬，可有效降低成本 和對環境的影響。2代替硅生產超級計算機科學家發現，石墨烯還是目前已知導電性能最出色的材料。 石墨 烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現代電子工業的領頭 羊，一些電子設備，例如手機，由于工程師們正在設法將越來越多的 信息填充在信號中，它們被要求使用越來越高的頻率，然而手機的工 作頻率

16、越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由 于石墨烯的出現，高頻提升的發展前景似乎變得無限廣闊了。這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。 研究人員甚至將石墨烯看作 是硅的替代品，能用來生產未來的超級計算機。3光子傳感器石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現在更大的市場上，這種傳感器是用于檢測光纖中攜帶的信息的， 這個角色一直由硅擔當，但硅 的時代似乎就要結束。2012年10月，舊M的一個研究小組首次披露 了他們研制的石墨烯光電探測器，接下來人們要期待的就是基于石墨 烯的太陽能電池和液晶顯示屏了。 因為石墨烯是透明的，用它制造的 電板比其他材料具有更優良的透光性。4基因電子測序由于導電

17、的石墨烯的厚度小于 DNA鏈中相鄰堿基之間的距離以 及DNA四種堿基之間存在電子指紋，因此，石墨烯有望實現直接的， 快速的，低成本的基因電子測序技術。5減少噪音美國 舊M宣布，通過重疊2層相當于石墨單原子層的 石墨烯 （Graphene），”試制成功了新型晶體管，同時發現可大幅降低納米元件 特有的1/f。石墨烯，試制成功了相同的晶體管，不過與預計的相反， 發現能夠大幅控制噪音。通過在二層石墨烯之間生成的強電子結合， 從而控制噪音。6隧穿勢壘材料量子隧穿效應是一種衰減波耦合效應，其量子行為遵守薛定謂波 動方程，應用于電子冷發射、量子計算、半導體物理學、超導體物理 學等領域。傳統勢壘材料采用氧化鋁

18、、氧化鎂等材料，由于其厚度不 均、容易出現孔隙和電荷陷阱，通常具有較高的能耗和發熱量，影響 到了器件的性能和穩定性，甚至引起災難性失敗。基于石墨烯在導電、 導熱和結構方面的優勢，美國海軍研究試驗室（NRL）將其作為量子 隧穿勢壘材料的首選。未來得石墨烯勢壘將有可能在隧穿晶體管、 非 揮發性磁性記憶體和可編程邏輯電路中率先得以應用。7國內首片15英寸單層石墨烯問世你想用上屏幕可以來回彎曲折疊的手機嗎？采用石墨烯材料，就可能變成現實。采用可折疊屏幕后，即使手機屏變得更大了，但攜帶起 來還是很方便。1月22日，記者從中科院重慶綠色智能技術研究院（簡 稱中科院重慶研究院）了解到，該院已經成功制備出國內首片 15英寸 的單層石墨烯，這樣的大尺寸，達到了國內最高水平。它或將為我們的 手機、電腦等電子廣品帶來一場革命。世界上最薄的納米材料，透光性好，能折疊據介紹，石墨烯是由碳原子組成的單原子層平面薄膜，可以作為制備新型觸摸屏的核心部分 一一明電極的材料。它