石墨烯
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石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子以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(wěn)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(chuàng)性實驗”，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(shù)高達5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展更薄、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(zhì)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。
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研究歷史
石墨烯出現(xiàn)在實驗室中是在2004年，當時，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從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)的領域已為時不遠了。因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學獎。
石墨烯的出現(xiàn)在科學界激起了巨大的波瀾，人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非同尋常的導電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導體和導體，例如硅和銅遠沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費了72%-81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性。
2物理性質(zhì)
電子運輸
在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)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(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚態(tài)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(wěn)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(xiàn)出了異常的整數(shù)量子霍爾行為。其霍爾電導=2e/h,6e/h,10e/h....為量子電導的奇數(shù)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(zhì)量”。
石墨烯結構非常穩(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外力，也就保持了結構穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結構使碳原子具有優(yōu)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(fā)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(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”的性質(zhì)和相對論性的中微子非常相似。
石墨烯有相當?shù)耐该鞫龋嚎梢晕沾蠹s2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對論性的體現(xiàn)。
加州大學河濱分校（UCRiverside）的Alexlander Balandin教授及其研究小組成員應用拉曼光譜偏移測量手段，測得懸空的單層石墨烯在室溫下可擁有 4840 W/mK 的高熱導率。石墨烯的高熱導率特性也進一步支持石墨烯作為新電子器件材料的應用前景。
機械特性：石墨烯是人類已知強度最高的物質(zhì)，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10—20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1—1.5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(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到了大約2.9微牛。據(jù)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100萬納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。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。
電子相互作用
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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生的光輻射亮度相當于醫(yī)學上X射線強度的1億倍?？茖W家利用這一強光源觀測發(fā)現(xiàn)，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。
記憶效應
質(zhì)譜測定中的記憶效應表現(xiàn)為一次涂樣測定的結果受到殘存在離子源內(nèi)測定過的同種樣品的影響，當前后樣品的待測同位素豐度相差越大時，記憶效應帶來的影響也越大。在熱電離質(zhì)譜測定中，記憶效應主要由石墨烯表面吸附和樣品沉積兩種因素引起。有些活性強的化合物的蒸氣與離子源內(nèi)表面接觸時會被吸附，吸附量的多少除了與化合物的性質(zhì)有關外，還與離子源內(nèi)表面的材料及光潔度有關。
當長期工作以后，樣品蒸氣在離子源內(nèi)表面的沉積會越來越多，特別是在源的出口縫及離子光學透鏡的狹縫處，如果在高溫下工作，沉積在離子源內(nèi)表面的樣品會受熱再次蒸發(fā)而被電離，影響測定結果的準確性。另外一種情況，雖然測定的元素與離子源已沉積的元素不一樣，但它們是同質(zhì)異位素，這樣離子源內(nèi)表面的沉積也會對測定結果帶來影響。記憶效應的強弱與所采用的樣品化合物的形式有關，如進行鋰同位素測定時，采用不同鋰化合物凃樣，定量測定的記憶的鋰量相差很大，其中以LiF的記憶效應最強。
3化學性質(zhì)
石墨烯[1]是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。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。
至今關于石墨烯化學知道的是：類似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子。從表面化學的角度來看，石墨烯的性質(zhì)類似于石墨，可利用石墨來推測石墨烯的性質(zhì)。石墨烯化學可能有許多潛在的應用，然而要石墨烯的化學性質(zhì)得到廣泛關注，有一個不得不克服的障礙：缺乏適用于傳統(tǒng)化學方法的樣品。如果這一點未得到解決，研究石墨烯化學將面臨重重困難。
由于其獨有的特性，石墨烯被稱為“神奇材料”。科學家甚至預言“徹底改變21世紀”的，便是石墨烯電池。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。自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鉑或其他貴金屬，可有效降低成本和對環(huán)境的影響。
結構
sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元
石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點陣結構, 它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán), 是目前最理想的二維納米材料。理想的石墨烯結構是平面六邊形點陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導電性。二維石墨烯結構可以看是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元。
區(qū)別
單層石墨烯及其派生物
4技術發(fā)展
美國能源部國家直線加速器實驗室（SLAC）和斯坦福大學的一項研究首次揭示了石墨烯插層復合材料的超導機制，并發(fā)現(xiàn)一種潛在的工藝能使石墨烯這個具有廣闊應用前景的“材料之王”獲得人們夢寐以求的超導性能。該研究有助于推動石墨烯在超導領域的應用，開發(fā)出高速晶體管、納米傳感器和量子計算設備。相關論文發(fā)表在2014年3月20日出版的《自然通訊》雜志上。
石墨烯是一種呈蜂巢狀排列的單層碳原子結構，是目前已知的最薄、強度最高的物質(zhì)，具有優(yōu)良的物理化學性能?？茖W家希望用石墨烯制成高速晶體管、傳感器乃至透明電極。此前，人們就已知道摻雜金屬原子的石墨烯插層材料具有二維超導性能。但科學家們一直無法確定超導性是來源于金屬、石墨烯還是兩者兼而有之。新研究首次通過令人信服的證據(jù)，證明了是石墨烯在其中起到了關鍵作用。為相關材料在納米級電子器件領域的應用鋪平了道路。
物理學家組織網(wǎng)2014年3月21日的報道中稱，研究人員是通過強紫外線對一種名為鈣插層石墨烯（CaC6）的材料進行研究后得出上述結論的。CaC6是純鈣晶體與石墨發(fā)生化學反應所得到的石墨烯插層復合材料，由單層碳原子石墨烯和單層原子鈣交替復合而成。
研究人員將一份來自英國倫敦大學學院（UCL）的CaC6樣品在斯坦福同步輻射光源實驗室（SSRL）進行了分析。高強度的紫外線能夠幫助他們深入到材料內(nèi)部進行觀察，分清每層內(nèi)的電子是如何運動的。實驗顯示，電子在石墨烯和鈣原子層之間來回散射，與材料的原子結構發(fā)生自然振動并發(fā)生配對，從而獲得了無電阻的導電性。
5應用領域
石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，據(jù)測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 萬納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；第二：石墨烯是世界上導電性最好的材料。
石墨烯的應用范圍廣闊。根據(jù)石墨烯超薄，強度超大的特性，石墨烯可被廣泛應用于各領域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機材料等。根據(jù)其優(yōu)異的導電性，使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。石墨烯有可能會成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級計算機，碳元素更高的電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是一種優(yōu)良的改性劑，在新能源領域如超級電容器、鋰離子電池方面，由于其高傳導性、高比表面積，可適用于作為電極材料助劑。
納電子器件方面
2005年，Geim研究組[3 J與Kim研究組H 發(fā)現(xiàn)，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 /V·s)，并且受溫度和摻雜效應的影響很小，表現(xiàn)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(yōu)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(yōu)勢。此外，石墨烯減小到納米尺度甚至單個苯環(huán)同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學性能，使探索單電子器件成為可能。
代替硅生產(chǎn)超級計算機
科學家發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)代電子工業(yè)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(xiàn)，高頻提升的發(fā)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(chǎn)未來的超級計算機。
太陽能電池
2010年，清華大學的Xinming Li和Hongwei Zhu等人首次將石墨烯覆蓋在傳統(tǒng)的單晶硅材料上，研究發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能。這樣一個簡易的太陽能電池模型，經(jīng)過優(yōu)化提升后光電轉(zhuǎn)換效率可以達到10%以上。石墨烯-硅模型還可以進一步拓展為石墨烯與其他半導體材料的結構。這種可以將石墨烯與傳統(tǒng)材料結合的模型，為石墨烯的實際應用具有重要的推動作用。
光子傳感器
石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)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，IBM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(yōu)良的透光性。
基因電子測序
由于導電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(xiàn)直接的，快速的，低成本的基因電子測序技術。[2]
減少噪音
美國IBM 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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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。噪聲。
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諤波動方程，應用于電子冷發(fā)射、量子計算、半導體物理學、超導體物理學等領域。傳統(tǒng)勢壘材料采用氧化鋁、氧化鎂等材料，由于其厚度不均、容易出現(xiàn)孔隙和電荷陷阱，通常具有較高的能耗和發(fā)熱量，影響到了器件的性能和穩(wěn)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(yōu)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(fā)性磁性記憶體和可編程邏輯電路中率先得以應用。
其它應用
石墨烯還可以應用于晶體管、觸摸屏、基因測序等領域，同時有望幫助物理學家在量子物理學研究領域取得新突破。中國科研人員發(fā)現(xiàn)細菌的細胞在石墨烯上無法生長,而人類細胞卻不會受損。利用這一點石墨烯可以用來做繃帶,食品包裝甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光電化學電池可以取代基于金屬的有機發(fā)光二極管,因石墨烯還可以取代燈具的傳統(tǒng)金屬石墨電極,使之更易于回收。這種物質(zhì)不僅可以用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、制造出超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長太空電梯成為現(xiàn)實。
6制備方法
石墨烯的研究熱潮也吸引了國內(nèi)外材料制備研究的興趣，石墨烯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。
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(zhì)量石墨烯，但存在產(chǎn)率低和成本高的不足，不滿足工業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)要求，2004年只能作為實驗室小規(guī)模制備。
化學氣相沉積法
化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)首次在規(guī)模化制備石墨烯的問題方面有了新的突破(參考化學氣相沉積法制備高質(zhì)量石墨烯)。CVD法是指反應物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學反應,生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)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鎳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鎳的表面,形成石墨烯，通過輕微的化學刻蝕，使石墨烯薄膜和鎳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1.1×106S/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(zhì)量大面積的石墨烯，但是理想的基片材料單晶鎳的價格太昂貴，這可能是影響石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的重要因素。CVD法可以滿足規(guī)模化制備高質(zhì)量石墨烯的要求，但成本較高，工藝復雜。
氧化還原法
氧化-還原法制備成本低廉且容易實現(xiàn)，成為制備石墨烯的最佳方法，而且可以制備穩(wěn)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(zhì)反應生成氧化石墨(GO)，經(jīng)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，如羧基、環(huán)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(fā)現(xiàn)通過加入化學物質(zhì)例如二甲肼、對苯二酚、硼氫化鈉(NaBH4)和液肼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(wěn)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(huán)、七元環(huán)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。
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-還原法那樣破壞石墨烯的結構，可以制備高質(zhì)量的石墨烯。在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的產(chǎn)率最高(大約為8%)，電導率為6500S/m。研究發(fā)現(xiàn)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(zhì)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(chǎn)率很低。
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(zhì)，通過將反應體系加熱至臨界溫度(或接近臨界溫度)，在反應體系中自身產(chǎn)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(guī)?；苽涫┑膯栴}，同時也帶來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(zhì)量的石墨烯。Dai等發(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(zhì)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亮點。
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(chǎn)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(yōu)勢，取長補短，解決石墨烯的難溶解性和不穩(wěn)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。
7相關介紹
2010年的諾貝爾物理學獎將石墨烯帶入了人們的視線。2004年英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授通過一種很簡單的方法從石墨薄片中剝離出了石墨烯，為此他們二人也榮獲2010年諾貝爾物理學獎。
石墨烯行業(yè)仍在量產(chǎn)摸索階段,主要的制備方法有微機械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法;其中氧化石墨還原法優(yōu)于制備成本相對較低，是主要制備方法。
石墨烯良好的電導性能和透光性能，使它在透明電導電極方面有非常好的應用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機光伏電池、有機發(fā)光二極管等等，都需要良好的透明電導電極材料。特別是，石墨烯的機械強度和柔韌性都比常用材料氧化銦錫優(yōu)良;氧化銦錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內(nèi)的石墨烯薄膜可以沉積于大面積區(qū)域。通過化學氣相沉積法，可以制成大面積、連續(xù)的、透明、高電導率的少層石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的陽極，并得到高達1.71%能量轉(zhuǎn)換效率;與用氧化銦錫材料制成的元件相比，大約為其能量轉(zhuǎn)換效率的55.2%。作為新興產(chǎn)業(yè)，前瞻網(wǎng)指出。石墨烯未來前途一片光明。
石墨烯特殊的結構形態(tài)，使其具備目前世界上最硬、最薄的特征，同時也具有很強的韌性、導電性和導熱性。這些及其特殊的特性使其擁有無比巨大的發(fā)展空間，未來可以應用于電子、航天、光學、儲能、生物醫(yī)藥、日常生活等大量領域?！?十二五"期間中國石墨烯行業(yè)深度市場調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》稱石墨烯集合世界上最優(yōu)質(zhì)的各種材料品質(zhì)于一身，故有業(yè)內(nèi)人士如此評價：如果說20世紀是硅的世紀，石墨烯則開創(chuàng)了21世紀的新材料紀元，將給世界帶來實質(zhì)性變化。
諾貝爾獎
石墨烯應用范圍廣闊。根據(jù)石墨烯強度超大，超薄的特性，石墨烯可被廣泛應用于各領域，比如超薄超輕型飛機材料，超輕防彈衣等。根據(jù)其優(yōu)異的導電性，使它在微電子的領域也具有巨大的應用潛力。石墨烯有可能會成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來超級計算機，碳元素更高電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是優(yōu)良的改性劑，在新能源領域如鋰離子電池、超級電容器方面，由于其高傳導性、高比表面積，可用于作為電極材料助劑
英國曼徹斯特大學兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫兩人于2010年獲得諾貝爾物理學，他們曾是師生，也是同事，他們都出生于俄羅斯，都曾在那里學習，也曾一同在荷蘭學習和研究，最后他們又一起在英國制備出了石墨烯。這種神奇材料的誕生使安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得2010年諾貝爾物理學獎。
海姆和諾沃肖洛夫2004年制備出石墨烯。這是目前世界上最薄的材料，僅有一個碳原子厚。與所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導電性也很好。此外，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作。而作為熱導體，石墨烯比任何其他材料的導熱效果都好。
海姆和諾沃肖洛夫認為，石墨烯晶體管已展示出優(yōu)點和良好性能，因此石墨烯可能最終會替代硅。由于成果要經(jīng)得起時間考驗，許多諾貝爾科學獎項都是在獲得成果十幾或幾十年后才頒發(fā)。而石墨烯材料的制備成功距今才6年時間，就獲得了諾貝爾獎，這使諾沃肖洛夫感到意外。他說：“今天早上聽說這個消息時，我非常驚喜，第一個想法就是奔到實驗室告訴整個研究團隊。”而海姆則表示，“我從沒想過獲諾貝爾獎，昨天晚上睡得很踏實”。
海姆認為，獲得諾貝爾獎的有兩種人：一種是獲獎后就停止了研究，至此終老一生再無成果；一種是生怕別人認為他是偶然獲獎的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成為第二種人，當然我會像平常一樣走進辦公室，繼續(xù)努力工作，繼續(xù)平常生活。”[3]
論壇
石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢及投資論壇于2013年7月13-14日在北京舉辦，并成立“中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”。此次論壇將圍繞石墨烯制備技術，石墨烯引導哪些新興產(chǎn)業(yè)鏈，石墨烯最具商業(yè)價值的應用領域，以及如何理性投資石墨烯產(chǎn)業(yè)等四大主題進行探討。[3]
研究成果
最小最快的晶體管
2011年4月7日IBM向媒體展示了其最快的石墨烯晶體管，該產(chǎn)品每秒能執(zhí)行1550億個循環(huán)操作，比之前的試驗用晶體管快50%。
該晶體管的截止頻率為155GHz，使得其速度更快的同時，也比IBM2011年2月展出的100GHz石墨烯晶體管具備了更多的能力。
IBM研究人員林育名表示，石墨烯晶體管成本較低，可以在標準半導體生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，為石墨烯芯片的商業(yè)化生產(chǎn)提供了方向，從而用于無線通信、網(wǎng)絡、雷達和影像等多個領域。
該晶體管的研制是IBM承接美國國防部高級研究計劃局的任務，研發(fā)高性能無線電頻率晶體管，軍方對此很感興趣。它尚未可完全用于PC機，因為自然石墨烯中缺少能隙，石墨烯晶體管不具備數(shù)碼切換操作需要的開閉比，從而在處理離散數(shù)碼信號方面不如傳統(tǒng)處理器。
相比之下，石墨烯的連續(xù)能隙流使得其處理模擬信號的能力更強。通過使用IBM改良的“類金剛石碳”，石墨烯晶體管的溫度穩(wěn)定性更強。同時，它也是目前為止IBM最小的晶體管，選通脈沖寬度從550納秒降到了40納秒，而2011年的產(chǎn)品寬度為240納秒。
2009年12月1日在美國召開的材料科學國際會議上，日本富士通研究所宣布，他們用石墨烯制作出了幾千個晶體管。富士通研究所的研究人員將原料氣體吹向事先涂有用做催化劑的鐵的襯底，在這種襯底上制成大面積石墨烯薄膜。
大面積的石墨烯制備一直是個難題。富士通用上述方法制成了高質(zhì)量的7.5厘米直徑的石墨烯膜。在此基礎上，再配置電極和絕緣層，制成了石墨烯晶體管。由于石墨烯面積較大，富士通在上面制成了幾千個晶體管。石墨烯晶體管比硅晶體管功耗低和運行速度快，可制作出性能優(yōu)良的半導體器件。如果改進技術后有望進一步擴大石墨烯面積，這樣能夠制作出更多的晶體管和石墨烯集成電路，為生產(chǎn)高檔電子產(chǎn)品創(chuàng)造了條件。
2009年11月日本東北大學與會津大學通過合作研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯可產(chǎn)生太赫茲光的電磁波。研究人員在硅襯底上制作了石墨烯薄膜，將紅外線照射到石墨烯薄膜上，只需很短時間就能放射出太赫茲光。如果今后能夠繼續(xù)改進技術，使光源強度進一步增大，將開發(fā)出高性能的激光器。
研究團隊在硅襯底上使用有機氣體制作一層碳硅化合物。然后，進行熱處理，使其生長出石墨烯的薄膜。該石墨烯薄膜只需極短暫的時間照射紅外線，就能從石墨烯上發(fā)送出太赫茲光。該團隊正致力于開發(fā)能將光粒封閉在內(nèi)部，使光源強度增加的器件，期望能夠開發(fā)出在接近室溫條件下可工作的太赫茲激光器。
2010年，美國萊斯大學利用該石墨烯量子點，制作單分子傳感器。萊斯大學將石墨烯薄片與單層氦鍵合，形成石墨烷。石墨烷是絕緣體。氦使石墨烯由導體變換成為絕緣體。研究人員移除石墨烯薄片兩面的氦原子島，就形成了被石墨烷絕緣體包圍的、微小的導電的石墨烯阱。該導電的石墨烯阱就可作為量子阱。量子點的半導體特性要優(yōu)于體硅材料器件。這一技術可用來制作化學傳感器、太陽能電池、醫(yī)療成像裝置或是納米級電路等。
全球最小光學調(diào)制器
據(jù)美國媒體今晨報道，美國華裔科學家使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調(diào)制器，科學家表示，這個只有頭發(fā)絲四百分之一細的光學調(diào)制器具備的高速信號傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬倍，一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影指日可待。這項研究是由加州大學伯克利分校勞倫斯國家實驗室的張翔教授、王楓助理教授以及博士后劉明等組成的研究團隊共同完成的，研究論文將于2011年6月2日在英國《自然》雜志上發(fā)表。這項研究的突破點就在于，用石墨烯這種世界上最薄卻最堅硬的納米材料，做成一個高速、對熱不敏感，寬帶、廉價和小尺寸的調(diào)制器，從而解決了業(yè)界長期未能解決的問題。
華人科研團隊將石墨烯鋪展在一個硅波導管的頂部，建造出了這款能打開或關閉光束的光調(diào)制器（調(diào)制器是控制數(shù)據(jù)傳輸速度的關鍵），把電子信號轉(zhuǎn)化成光學信號傳輸數(shù)字信息。銅導線長距離傳輸速度最高可達100兆，而每個石墨烯調(diào)制器的傳輸速度比銅導線快約千倍。如果把10個石墨烯調(diào)制器放在一起，傳輸速度可以達到百萬兆，上網(wǎng)速度將比以前快1萬倍。價廉物美是石墨烯調(diào)制器的另一優(yōu)勢，"目前市場上的光學調(diào)制器5250美元一個，而我們的石墨烯調(diào)制器只需要幾美元"。 相對于現(xiàn)有調(diào)制器幾個平方毫米的體積，這種石墨烯調(diào)制器還具有體積小的優(yōu)勢，只有25平方微米，且僅有頭發(fā)絲的四百分之一細，它可以放在電腦主板上的任何位置。張翔教授表示，新石墨烯調(diào)制器不僅可用于消費電子產(chǎn)品上，還可用于任何受限于數(shù)據(jù)傳輸速度的領域，包括生物信息學以及天氣預報等，未來也會廣泛應用于工業(yè)領域。
低成本石墨烯電池據(jù)了解，美國俄亥俄州Nanotek儀器公司的研究人員利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出一種新型儲能設備，可以將充電時間從過去的數(shù)小時之久縮短到不到一分鐘。該研究發(fā)表在出版的《納米快報》上。
作為導電性、機械性能都很優(yōu)異的材料，素來有“黑金子”之稱的石墨烯在中國市場上的價格近十倍于黃金，超過2000元/克。
新型石墨烯電池實驗階段的成功，無疑將成為電池產(chǎn)業(yè)的一個新的發(fā)展點。電池技術是電動汽車大力推廣和發(fā)展的最大門檻，而電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲能設備的研制成功后，若能批量生產(chǎn)，則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動車產(chǎn)業(yè)帶來新的變革。（科技日報）
首款手機用石墨烯電容觸摸屏研制成功
2012年1月8日，江南石墨烯研究院對外發(fā)布，全球首款手機用石墨烯電容觸摸屏在常州研制成功。該成果經(jīng)上?？茖W技術情報研究所和廈門大學查實，顯示為國內(nèi)首創(chuàng)。
江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技有限公司聯(lián)合無錫麗格光電科技有限公司和深圳力合光電傳感器技術有限公司共同研發(fā)的手機用石墨烯電容觸摸屏項目，成功制成電容觸摸屏手機樣機，并完成了功能測試。這款透明到幾乎用肉眼無法辨析的超級薄膜，具有現(xiàn)有智能手機觸摸屏的基本功能，電容屏傳感器整個觸摸區(qū)域可以識別單指和雙指觸摸及進行畫線動作，實現(xiàn)圖片單指手勢左右拖動及雙指手勢放大和旋轉(zhuǎn)，而這只是石墨烯材料產(chǎn)品之一。
據(jù)此前相關報道稱，石墨烯的相關產(chǎn)品在國外還處于研發(fā)和概念機階段，尚未有大規(guī)模制造及商業(yè)化。而此次首款手機用石墨烯電容觸摸屏的成功研制，表明了石墨烯產(chǎn)品從實驗室逐步走向了市場。
光電傳感器
2012年8月，諾基亞的研發(fā)部門已經(jīng)在著手研究石墨烯光電傳感器，并且已經(jīng)在美國專利和商標局注冊了一項專利。
諾基亞石墨烯光電傳感器原理
石墨烯作為光電傳感器材料的優(yōu)勢就在于其透光性。這種單層的六邊形碳原子材料僅僅吸收2.3%的光，并使所有光譜的光均勻地通過（紅外線、可見光和紫外線）。因此，對于諾基亞的團隊來說，這在光線不足的條件下肯定比傳統(tǒng)的CMOS傳感器具備更好的性能。同時，石墨烯傳感器比傳統(tǒng)傳感器薄許多，因此你的下一個4100萬像素的PureView手持設備肯定不會是像諾基亞808那樣的大塊頭。此外，石墨烯傳感器比CMOS在生產(chǎn)工藝和流程方面更簡單，造價更便宜。
石墨烯生產(chǎn)由于種種原因，還僅停留于實驗室階段，而用石墨烯制造的傳感器，也表現(xiàn)出了照片響應差、噪音多等問題。因此諾基亞或許將在最近幾年不斷提升和研發(fā)這種石墨烯光電傳感器的性能。
國內(nèi)首片15英寸單層石墨烯問世
[提要]與現(xiàn)有手機觸摸屏材料相比,石墨烯優(yōu)點更多,被認為是2013之前世界上最薄、幾乎完全透光、強度也最大的材料。中科院重慶研究院正在與廣東地區(qū)的風投機構商談,力爭讓石墨烯在一年內(nèi)實現(xiàn)量產(chǎn)。
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(xiàn)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(jīng)成功制備出國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯,這樣的大尺寸,達到了國內(nèi)最高水平。它或?qū)槲覀兊氖謾C、電腦等電子產(chǎn)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(jù)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――透明電極的材料。它究竟薄到哪種程度?中科院重慶研究院微納制造與系統(tǒng)集成研究中心副主任史浩飛解釋,石墨烯只有0.34納米厚,粗略估計一下,一根頭發(fā)絲的直徑,大概等于十萬層石墨烯疊加起來的厚度,所以用肉眼是看不見它的。它自身只吸收約2.3%的光,能夠做到幾乎完全透光,讓觸摸屏亮度更好,同時,還能保證很高的電導率,這對于過去那些觸摸屏材料來說,是難以同時解決的?！斑^去認為鉆石熱導率最高,但是石墨烯是它的2倍?！?/span>
值得一提的是,石墨烯還具備很好的柔性,也即是說,它在一定程度上可以彎曲折疊,不會對屏幕造成損害。
“從這些優(yōu)點來看,石墨烯特別適合在電子信息產(chǎn)業(yè)中應用。像IBM、三星這些大企業(yè),都相當關注它的發(fā)展?！笔泛骑w說。
成功制備7英寸的石墨烯觸摸屏
據(jù)悉,自2004年被發(fā)現(xiàn)以來,如何解決大面積、高質(zhì)量石墨烯制備和快速高效轉(zhuǎn)移兩大關鍵問題,讓石墨烯應用于透明電極中,一直困擾著很多研究者。
“如果電阻觸摸屏要采用這種材料,需要先在金屬表面上催化生長石墨烯,再把它轉(zhuǎn)移到適合的基底上,才能進行應用?！笔泛骑w告訴記者,這就相當于在一個足球場上鋪一層薄薄的保鮮膜,要讓它平平整整且完好無損,難度特別大。
據(jù)介紹,通過“石墨烯透明電極關鍵技術”研究,他們采用工業(yè)原料如塑料、液態(tài)苯等作為有效碳源,在300℃的低溫下生長出高質(zhì)量的石墨烯。
中科院重慶研究院已經(jīng)在銅箔襯底上生長出15英寸的均勻單層石墨烯,并成功將其完整地轉(zhuǎn)移到柔性PET襯底上和其他基底表面,并且通過進一步應用,還制備出了7英寸的石墨烯觸摸屏。
在中科院重慶研究院的實驗室里,記者看到,研究人員將石墨烯觸摸屏貼在一臺普通筆記本電腦的顯示屏上,調(diào)試完畢后,用手寫筆就能輕松地在屏幕上寫字。
新型石墨烯晶體管實現(xiàn)高開關比率
據(jù)物理學家組織網(wǎng)2012年1月23日（北京時間）報道，英國曼徹斯特大學的科研人員設計出一種新型石墨烯晶體管，在其中電子可借助隧穿和熱離子效應，同時從上方和下方穿越障礙，并在室溫下展現(xiàn)出高達1×106的開關比率。
石墨烯晶體管獲得較高的開關比率一直難以實現(xiàn)，而有了高開關比，以及其在柔性、透明基板上的操作能力，新型晶體管能夠在后CMOS設備時代占有一席之地，并有望達到更快的計算速度。相關研究發(fā)表在《自然·納米技術》雜志上。
石墨烯晶體管多具有三明治結構，以原子厚度的石墨烯作為外層，而以其他超薄材料作為中間夾層。這些中間層可以囊括多種不同材料。在此次的研究中，科學家使用二硫化鎢（WS2）作為中間層，其能夠作為兩個石墨烯夾層之間原子厚度的壁壘。與其他壁壘材料相比，二硫化鎢的最大優(yōu)勢在于，電子可借助熱離子運輸方式從上方越過障礙，也可利用隧穿效應從下方穿過障礙。處于關閉狀態(tài)時，極少電子能借助上述方式穿越障礙，但當調(diào)至開啟狀態(tài)時，電子既能選用一種方式逾越壁壘，亦能同時選擇兩種方式以實現(xiàn)類似效果。
開關間切換將改變晶體管的柵電壓。負柵電壓將形成關閉狀態(tài)，因為其將增加隧穿障礙高度，因此幾乎沒有電子能夠越過壁壘。而正柵電壓能通過降低隧穿障礙的高度使晶體管轉(zhuǎn)換至開啟狀態(tài)。同時，如果溫度足夠高，亦可借助熱離子電流從上方越過壁壘。在低電壓和低溫的情況下，隧穿電流與電壓呈線性關聯(lián)。但當處于高壓下時，隧穿電流會隨電壓呈現(xiàn)指數(shù)增長，此時熱離子電流就會成為主要的傳輸機制。
利用上述特質(zhì)和二硫化鎢壁壘材料，新晶體管成為目前性能最佳的石墨烯晶體管之一。此外，由于僅具有幾個原子層的厚度，新型晶體管能夠耐受彎曲，未來更有望應用于柔性、透明電子設備的制造，成為后CMOS設備時代的有力備選。
碳海綿：碳納米管和石墨烯共同支撐起無數(shù)個孔隙的三維多孔材料
2013年3月，浙江大學高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠――它刷新了目前世界上最輕材料的紀錄，彈性和吸油能力令人驚喜。這種被稱為“全碳氣凝膠”的固態(tài)材料密度為每立方厘米0.16毫克，僅是空氣密度的1/6。它的價值在于其簡便的制備方法，以及材料所展現(xiàn)出來的優(yōu)越性能。不需要模板，只與容器有關。容器多大，就可以制備多大，可以做到上千立方厘米，甚至更大。
純石墨烯粉末制成柔性散熱薄膜
2013年4月2日，貴州新碳高科有限責任公司宣布研制成功出中國首個純石墨烯粉末產(chǎn)品——柔性石墨烯散熱薄膜。此次發(fā)布的中國首個石墨烯粉末應用產(chǎn)品“柔性石墨烯散熱薄膜”，由貴州新碳高科有限責任公司研發(fā)和生產(chǎn)，由上海新池能源科技有限公司提供穩(wěn)定的、量產(chǎn)規(guī)模的石墨烯粉末。新碳高科建立了年產(chǎn)2萬平米生產(chǎn)線，已成功生產(chǎn)1000平方米石墨烯柔性散熱薄膜產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用了單片厚度1-5個原子層，橫向尺寸0.5-5微米，比表面積500-1000m/g的高質(zhì)量石墨烯粉末，通過制備高濃度不團聚的石墨烯溶液，利用輥涂技術（Roll to Roll）形成有良好定向性的石墨烯微片層狀結構，然后在高溫特定氣氛下還原，使石墨烯微片邊緣晶粒長大，最后擴展成為大面積連續(xù)二維結構的石墨烯柔性散熱薄膜。產(chǎn)品熱擴散率達到700-900M2/S，熱導率在800-1600W/（mk）。其散熱效果比常用的散熱材料銅（熱導率429W/（mk）要提高2-4倍，而且具有良好的可加工性能。
柔性集體
石墨烯[4]具有高導電性和良好的柔韌性，是柔性儲能器件的理想候選材料之一。金屬研究所沈陽材料科學國家(聯(lián)合)實驗室在前期制備出具有三維連通網(wǎng)絡結構的石墨烯泡沫的基礎上(Nature Materials 10 (6), 424, 2011)，利用該材料作為高導電的柔性集流體，設計并制備出可快速充放電的柔性鋰離子電池。研究人員將三維連通的石墨烯網(wǎng)絡作為集流體，取代電池中常用的金屬集流體，不僅可有效降低電極中非活性物質(zhì)的比例，且三維石墨烯網(wǎng)絡的高導電性和多孔結構為鋰離子和電子提供了快速擴散通道，可實現(xiàn)電極材料的快速充放電性能。為了在不使用粘結劑和導電添加劑的情況下實現(xiàn)活性物質(zhì)和石墨烯集流體的良好接觸以促進電子傳輸和提高彎折時電極材料的穩(wěn)定性，研究人員發(fā)展了原位水熱合成方法，在石墨烯三維連通網(wǎng)絡結構上直接生長活性物質(zhì)，
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