1、新型材料石墨烯隨著時(shí)代科技的發(fā)展，材料也在不斷地發(fā)展。傳統(tǒng)材料的局限性已經(jīng)漸漸滿足不了人們的需求。人們不得不尋求更多更適合的新材料來適應(yīng)科技發(fā)展的需要。石墨烯作為新材料的一員，以其優(yōu)良的物理化學(xué)特性，已經(jīng)吸引了大批的科學(xué)家和職業(yè)工作者開發(fā)它的用途。石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯既是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料，如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的貓。石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為

2、硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)百倍。另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子（氨原子）也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。石墨烯在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈杰姆和克斯特亞諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們

3、能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后,他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。因此，在隨后三年內(nèi)，安德烈蓋姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，它可以翹曲成零維的富勒烯，卷成一維的

4、碳納米管或者堆垛成三維的石墨，因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，是目前最理想的二維納米材料.。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子。二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元。石墨烯的合成方法主要有兩種：機(jī)械方法和化學(xué)方法。機(jī)械方法包括微機(jī)械分離法、取向附生法和加熱SiC的方法；化學(xué)方法是化學(xué)還原法與化學(xué)解離法。最普通的是微機(jī)械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。2004年Novoselovt等用這種方法制備出了單層石墨烯，并可以在外界環(huán)境下穩(wěn)定存在。典型制備方法是用另外一種材料

5、膨化或者引入缺陷的熱解石墨進(jìn)行摩擦，體相石墨的表面會(huì)產(chǎn)生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。但缺點(diǎn)是此法是利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地制造長(zhǎng)度足供應(yīng)用的石墨薄片樣本。取向附生法是利用生長(zhǎng)基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在1150C下滲入釘，然后冷卻，冷卻到850c后，之前吸收的大量碳原子就會(huì)浮到釘表面，鏡片形狀的單層的碳原子“孤島”布滿了整個(gè)基質(zhì)表面，最終它們可長(zhǎng)成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋80%后，第二層開始生長(zhǎng)。底層的石墨烯會(huì)與釘產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，而第二層后就幾乎與釘完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片

6、表現(xiàn)令人滿意。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會(huì)影響碳層的特性。另外PeterW.Sutter等使用的基質(zhì)是稀有金屬釘。加熱SiC法是通過加熱單晶6H-SiC脫除Si,在單晶（0001）面上分解出石墨烯片層。化學(xué)還原法是將氧化石墨與水以1mg/mL的比例混合，用超聲波振蕩至溶液清晰無顆粒狀物質(zhì)，加入適量月并在100c回流24h,產(chǎn)生黑色顆粒狀沉淀，過濾、烘干即得石墨烯。SashaStankovich等利用化學(xué)分散法制得厚度為1nm左右的石墨烯。化學(xué)解離法是將氧化石墨通過熱還原的方法制備石墨烯的方法，氧化石墨層間的含氧官能團(tuán)在一定溫度下發(fā)生反應(yīng)。具體方法是將

7、含碳原子的氣體有機(jī)物如甲烷（CH4）、乙快（C2H2）等在銀或銅等金屬基體上高溫分解，脫出氫原子的碳原子會(huì)沉積吸附在金屬表面連續(xù)生長(zhǎng)成石墨烯。在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)（如果不是所有的話）物理學(xué)家認(rèn)為熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚態(tài)物理界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實(shí)驗(yàn)中被制備出來。這些可能歸結(jié)于石墨烯在納米級(jí)別上的微觀扭曲。石墨烯還表現(xiàn)出了異常的整數(shù)量子霍爾行為。其霍爾電導(dǎo)為量子電導(dǎo)的奇數(shù)倍，且可以在室溫下觀測(cè)到。這個(gè)行為已被科學(xué)家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對(duì)論量子力學(xué)，沒有靜質(zhì)量”。石墨烯結(jié)構(gòu)非常

8、穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)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(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)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(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子”，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。石墨烯具有極高導(dǎo)熱系數(shù)，近年來被提倡用于散熱等方面，在散熱片中嵌入石墨烯或數(shù)層石墨烯可使得其局部熱點(diǎn)溫度大幅下降。石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅(jiān)硬。研究人員發(fā)現(xiàn)，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(dá)到了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。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。石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子。從表面化學(xué)的角度來看，石墨烯的性質(zhì)類似于石墨。人們?cè)趯?duì)石墨烯的研究中已經(jīng)取得了豐碩的成果