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石墨烯（英文Graphene），石墨烯是一种纳米材料，它的发现获得了2010 年的诺贝尔物理奖，是目前发现的最坚固和最轻的材料。它是纯碳的原子层，只有一个原子厚度的二维材料，完全分布在蜂窝六角的形成上。 ^[1]

石墨烯 (baidu.com 图片) 原图链接 来自baidu.com的图片

简介 

石墨烯（英文Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形)；如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。

石墨烯特点 

• 导电比铜更佳。
  
• 比钢坚固两百倍，轻六倍。
  
• 导热比任何金属都更佳。
  
• 只吸收2%的光，几乎完全透明。
  
• 每克有令人难以置信的 2500 平方米的表面积。
  
• 灵活柔韧。
  
• 不透气，包括氢气和氦气。
  
• 有生物相容性。
  
• 不透水。
  
• 可在表面添加化学成分改变其性能。
  

发现历史

实上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。
2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov）他们用胶带从石墨上粘下薄片，这样的薄片仍然包含许多层石墨烯。但反复粘上十到二十次之后，薄片就变得越来越薄，最终产生一些单层石墨烯。最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。^[2]
2009年，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯能够在实验中被制备出来。

安德烈·盖姆(左)与康斯坦丁·诺沃肖洛夫 (sina 图片) 原图链接 来自sogou的图片

制备方法 

目前采用的制备石墨烯的方法可分为物理法和化学法两大类，其中以如下几种方法最具有代表性：

（1）撕胶带法/轻微摩擦法

最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。即海姆用这种方法。

（2）碳化硅表面外延生长

该法是通过加热单晶碳化硅脱除硅，在单晶（0001）面上分解出石墨烯片层。

（3）金属表面生长

取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“孤岛”布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。

（4）氧化减薄石墨片法

原理为使用强氧化剂，于石墨的层状结构中间进行插层氧化，使层与层之间存在带负电的氧化官能基，克服石墨层间的范德瓦力，并通过水分子的插层，大幅增加层间距离，使氧化石墨烯的剥离更容易。氧化石墨烯则可进一步通过使用还原剂，制备出石墨烯。

（5）切割碳纳米管法

切割碳纳米管也是制造石墨烯带的正在试验中的方法。其中一种方法用过锰酸钾和硫酸切开在溶液中的多层壁碳纳米管。另外一种方法使用等离子体刻蚀一部分嵌入于聚集物的纳米管。

应用前景 

（1）纳电子器件方面

室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10 am /V·s)，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300 K下可达0.3 m)，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。
利用石墨烯加入电池电极材料中可以大大提高充电效率，并且提高电池容量。自我装配的多层石墨烯片不仅是锂空气电池的理想设计，也可以应用于许多其他潜在的能源存储领域如超级电容器、电磁炮等。此外，新型石墨烯材料不依赖于铂或其他贵金属，可有效降低成本和对环境的影响。

（2） 代替硅生产超级计算机

科学家发现，石墨烯还是已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们设法把越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。 这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至把石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。

（3）光子传感器

石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。

（4）基因电子测序

由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有望实现直接的，快速的，低成本的基因电子测序技术。

（5）减少噪音

美国IBM 宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯(Graphene)”，试制成功了新型晶体管，同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f。石墨烯，试制成功了相同的晶体管，不过与预计的相反，发现能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音、噪声。

（6）隧穿势垒材料

量子隧穿效应是一种衰减波耦合效应，其量子行为遵守薛定谔波动方程，应用于电子冷发射、量子计算、半导体物理学、超导体物理学等领域。传统势垒材料采用氧化铝、氧化镁等材料，由于其厚度不均、容易出现孔隙和电荷陷阱，通常具有较高的能耗和发热量，影响到了器件的性能和稳定性，甚至引起灾难性失败。基于石墨烯在导电、导热和结构方面的优势，美国海军研究试验室（NRL）将其作为量子隧穿势垒材料的首选。未来得石墨烯势垒有可能在隧穿晶体管、非挥发性磁性记忆体和可编程逻辑电路中率先得以应用。

（7）其它应用

石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。

视频 

参考文献