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石墨烯（英文Graphene），石墨烯是一種納米材料，它的發現獲得了2010 年的諾貝爾物理獎，是目前發現的最堅固和最輕的材料。它是純碳的原子層，只有一個原子厚度的二維材料，完全分布在蜂窩六角的形成上。 ^[1]

石墨烯 (baidu.com 圖片) 原圖鏈接 來自baidu.com的圖片

簡介 

石墨烯（英文Graphene）是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。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。

石墨烯特點 

• 導電比銅更佳。
  
• 比鋼堅固兩百倍，輕六倍。
  
• 導熱比任何金屬都更佳。
  
• 只吸收2%的光，幾乎完全透明。
  
• 每克有令人難以置信的 2500 平方米的表面積。
  
• 靈活柔韌。
  
• 不透氣，包括氫氣和氦氣。
  
• 有生物相容性。
  
• 不透水。
  
• 可在表面添加化學成分改變其性能。
  

發現歷史

實上石墨烯本來就存在於自然界，只是難以剝離出單層結構。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。鉛筆在紙上輕輕划過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。
2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）他們用膠帶從石墨上粘下薄片，這樣的薄片仍然包含許多層石墨烯。但反覆粘上十到二十次之後，薄片就變得越來越薄，最終產生一些單層石墨烯。最後，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。^[2]
2009年，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現了整數量子霍爾效應及常溫條件下的量子霍爾效應，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學獎。在發現石墨烯以前，大多數物理學家認為，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凝聚體物理學學術界。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，但是單層石墨烯能夠在實驗中被製備出來。

安德烈·蓋姆(左)與康斯坦丁·諾沃肖洛夫 (sina 圖片) 原圖鏈接 來自sogou的圖片

製備方法 

目前採用的製備石墨烯的方法可分為物理法和化學法兩大類，其中以如下幾種方法最具有代表性：

（1）撕膠帶法/輕微摩擦法

最普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。即海姆用這種方法。

（2）碳化硅表面外延生長

該法是通過加熱單晶碳化硅脫除硅，在單晶（0001）面上分解出石墨烯片層。

（3）金屬表面生長

取向附生法是利用生長基質原子結構「種」出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然後冷卻，冷卻到850℃後，之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子「孤島」布滿了整個基質表面，最終它們可長成完整的一層石墨烯。

（4）氧化減薄石墨片法

原理為使用強氧化劑，於石墨的層狀結構中間進行插層氧化，使層與層之間存在帶負電的氧化官能基，克服石墨層間的范德瓦力，並通過水分子的插層，大幅增加層間距離，使氧化石墨烯的剝離更容易。氧化石墨烯則可進一步通過使用還原劑，製備出石墨烯。

（5）切割碳納米管法

切割碳納米管也是製造石墨烯帶的正在試驗中的方法。其中一種方法用過錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多層壁碳納米管。另外一種方法使用等離子體刻蝕一部分嵌入於聚集物的納米管。

應用前景 

（1）納電子器件方面

室溫下石墨烯具有10倍於商用硅片的高載流子遷移率(約10 am /V·s)，並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於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，並且提高電池容量。自我裝配的多層石墨烯片不僅是鋰空氣電池的理想設計，也可以應用於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，新型石墨烯材料不依賴於鉑或其他貴金屬，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，石墨烯還是已知導電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合於高頻電路。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，由於工程師們設法把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，於是，高頻的提升便受到很大的限制。由於石墨烯的出現，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。研究人員甚至把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，這種傳感器是用於檢測光纖中攜帶的信息的，現在，這個角色還在由硅擔當，但硅的時代似乎就要結束。IBM的一個研究小組首次披露了他們研製的石墨烯光電探測器，接下來人們要期待的就是基於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，用它製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

由於導電的石墨烯的厚度小於DNA鏈中相鄰鹼基之間的距離以及DNA四種鹼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IBM 宣布，通過重疊2層相當於石墨單原子層的「石墨烯(Graphene)」，試製成功了新型晶體管，同時發現可大幅降低納米元件特有的1/f。石墨烯，試製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、噪聲。

（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諤波動方程，應用於電子冷發射、量子計算、半導體物理學、超導體物理學等領域。傳統勢壘材料採用氧化鋁、氧化鎂等材料，由於其厚度不均、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。基於石墨烯在導電、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）其它應用

石墨烯還可以應用於晶體管、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。中國科研人員發現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於金屬的有機發光二極管,因石墨烯還可以取代燈具的傳統金屬石墨電極,使之更易於回收。這種物質不僅可以用來開發製造出紙片般薄的超輕型飛機材料、製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實。

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參考文獻