1985年零維結(jié)構(gòu)富勒烯的發(fā)現(xiàn)和1991年二維結(jié)構(gòu)碳納米管的發(fā)現(xiàn)，使碳納米材料在世界范圍內(nèi)引起了巨大的研究熱潮。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈˙K˙海姆教授和科斯佳˙諾沃謝洛夫研究員通過(guò)“微機(jī)械力分離法”，即通過(guò)微機(jī)械力從石墨晶體表面剝離石墨烯，首次制備出了石墨烯片層，并因此獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

 

石墨烯

 

石墨烯（Graphene）是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，其基本結(jié)構(gòu)是由碳原子以sp2雜化鍵合形成的苯六元環(huán)。厚度只有0.335納米,僅為頭發(fā)的20萬(wàn)分之一，石墨烯的發(fā)現(xiàn)使碳材料家族更加充實(shí)完整，形成了包括：零維富勒烯，一維碳納米管，二維石墨烯，三維金剛石和石墨的完整體系。

 

 

單原子層石墨烯與富勒烯、碳納米管以及石墨的結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖，(a)石墨烯、(b)富勒烯、(c)碳納米管、(d)石墨

 

石墨烯是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料的基本單元，具有極好的結(jié)晶性、力學(xué)性能和電學(xué)質(zhì)量。

 

（1）石墨烯的強(qiáng)度是已知材料中最高的，達(dá)到了130Gpa，是鋼的100多倍

 

（2）石墨烯具有很高的楊氏模量和熱導(dǎo)率，達(dá)到1060Gpa和3000W/m/k。

 

（3）同時(shí)，石墨烯平面結(jié)構(gòu)使其擁有相當(dāng)高的表面積，達(dá)到2600㎡/g。

 

（4）石墨烯特有的平面結(jié)構(gòu)也使其擁有了奇特的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)，其載流子遷移率達(dá)200000c㎡/v/s，超過(guò)商用硅片遷移率的10倍以上，所以石墨烯具有非常高的電導(dǎo)率，達(dá)6000S/cm。

 

（5）石墨烯還具有室溫下的量子霍爾效應(yīng)、雙極性電場(chǎng)效應(yīng)、反常量子霍爾效應(yīng)等，使其在電子器件制造等領(lǐng)域具有了重要的應(yīng)用，對(duì)高性能電子器件的發(fā)展起到了重要的推進(jìn)作用。

 

氧化石墨烯

 

化學(xué)式為C4O2-x(OH)2x(0<x<2)又稱石墨酸(graphiteacid)即Go。

 

氧化石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖

 

制備氧化石墨的常用方法主要包括Brodie方法，Staudenmaier方法以及Hummers方法。基本原理：先用強(qiáng)酸處理原始石墨，得到石墨層間化合物，然后用強(qiáng)氧化劑對(duì)其進(jìn)行氧化處理。

 

原始石墨是疏水的，經(jīng)過(guò)氧化以后石墨表面會(huì)形成大量的含氧基團(tuán)如羧基、羥基、環(huán)氧基等，從而使氧化石墨具有了水溶性，再經(jīng)過(guò)超聲振蕩處理后就可以分散成氧化石墨烯。

 

氧化石墨烯因?yàn)榇嬖诤趸鶊F(tuán)等缺陷破壞了它本身的電子結(jié)構(gòu)，因此需要經(jīng)過(guò)化學(xué)還原或熱還原將含氧基團(tuán)去掉，修復(fù)石墨烯表面的電子結(jié)構(gòu)從而使其具有更優(yōu)異的性能。

 

氧化石墨烯的特性

 

(1)良好的親水性和相容性：

 

理想的石墨烯片表面不含任何活性基團(tuán)，而氧化石墨烯片層由于含氧活性基團(tuán)的引入，使其具有了某些新的性質(zhì)，如親水性、良好的分散性以及相容性。

 

(2)很好的表面活性和潤(rùn)濕性：

 

氧化石墨烯表面的親水性含氧活性基團(tuán)，使氧化石墨烯具有很強(qiáng)的表面活性和潤(rùn)濕性，從而使氧化石墨烯能夠在常用的極性溶劑如四氫呋喃等中，形成穩(wěn)定的分散溶液。

 

(3)可作為補(bǔ)強(qiáng)填充材料：

 

極性基團(tuán)同樣使氧化石墨烯與某些極性聚合物的相容性增加，穩(wěn)定分散的氧化石墨烯通過(guò)溶液法與聚合物材料混合可以制備出具備優(yōu)良電學(xué)性能和力學(xué)性能的納米復(fù)合材料，使氧化石墨烯成為優(yōu)良的納米復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)填充料。

 

由于氧化石墨烯的良好性能，其對(duì)聚合物材料的力學(xué)性能、熱性能等的補(bǔ)強(qiáng)效果相對(duì)于其它無(wú)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)填料更優(yōu)異，同時(shí)在聚合物基體中的添加量也比傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)填料要少。研究人員利用氧化石墨烯作為補(bǔ)強(qiáng)填料，制備了大量具有優(yōu)異力學(xué)性能、熱性能的納米復(fù)合材料，對(duì)于聚合物復(fù)合材料的發(fā)展具有重要意義。

 

（4）其導(dǎo)電性較差：

 

含氧活性基團(tuán)的引入破壞了氧化石墨烯片層內(nèi)的π鍵，使其喪失了傳導(dǎo)電子的能力，故其導(dǎo)電性較差，因此氧化石墨烯不適合制備要求具有導(dǎo)電能力的電子器件。

 

（5）具有不同的電子結(jié)構(gòu)：

 

氧化石墨烯與石墨烯具有不同的電子結(jié)構(gòu)，如果石墨烯完全被氧化則可成為絕緣體，經(jīng)過(guò)還原后又可以從絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體。因此，可:以通過(guò)改變和控制氧化石墨烯不同的氧化程度實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。

 

（6）GO薄膜是一種穩(wěn)定的光電陰極材料

 

在光強(qiáng)為100mW/cm2的白光照射下,偏壓為－0.4V時(shí),0.1mol•L－1的Na2SO4溶液中薄膜電極的光電流密度達(dá)3.72μA/cm2.

 

（7）光響應(yīng)性能

 

氧化石墨烯作為可見(jiàn)和近紅外區(qū)域作為光電探測(cè)器具有很好的光響應(yīng)性能優(yōu)異、靈敏性度高、響應(yīng)速率快和可重復(fù)性好等特點(diǎn)，還發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)紫外光下氧化石墨烯的光響應(yīng)穩(wěn)定性較差。

 

石墨烯的應(yīng)用

 

 

石墨烯材料的部分應(yīng)用

 

現(xiàn)在石墨烯的性質(zhì)已經(jīng)得到了比較深入的研究，并且顯示出廣泛的應(yīng)用前景：它不僅可以替代目前的許多材料，實(shí)現(xiàn)性能的提升以及制造成本的降低，如半導(dǎo)體領(lǐng)域中的硅；也可以與其他材料復(fù)合，從而改善其性能，形成一系列多功能復(fù)合材料；甚至使我們?cè)?jīng)的一些設(shè)想成為可能。

 

現(xiàn)今石墨烯的幾個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

 

環(huán)保監(jiān)測(cè)領(lǐng)域

 

功能化石墨烯及石墨烯復(fù)合材料，在污染物吸附、過(guò)濾方面表現(xiàn)優(yōu)異

 

電子材料領(lǐng)域—重點(diǎn)領(lǐng)域

 

透明電極（太陽(yáng)能電池）

 

電池負(fù)極材料

 

替代硅的芯片材料

 

柔性屏幕（可穿戴設(shè)備）

 

……

 

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

 

石墨烯在細(xì)胞成像、干細(xì)胞工程等生物納米技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

 

散熱材料領(lǐng)域

 

解決手機(jī)、計(jì)算機(jī)等設(shè)備的散熱問(wèn)題，進(jìn)一步提升性能。

 

我們來(lái)看看石墨烯的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景

 

(1)可做“太空電梯”纜線

 

石墨烯不僅可用來(lái)開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的防彈衣,甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。研究人員表示,如果這種方法被證明可用以成批制造石墨烯光纖,將能降低超堅(jiān)固炭素復(fù)合材料的成本,炭素復(fù)合材料在航空航天、汽車和建筑等領(lǐng)域具有廣泛的用途。

 

(2)代替硅生產(chǎn)電子產(chǎn)品

 

硅讓我們邁入了數(shù)字化時(shí)代,但研究人員仍然渴望找到一些新材料,讓集成電路更小、更快、更便宜。在眾多的備選材料中,石墨烯最引人矚目。石墨烯值得炫耀的優(yōu)點(diǎn)有很多,比如超高強(qiáng)度、高透光性以及超強(qiáng)導(dǎo)電性,這讓它成為了制造可彎曲顯示設(shè)備和超高速電子器件的理想材料。石墨烯如今已經(jīng)出現(xiàn)在新型晶體管、存儲(chǔ)器和其他器件的原型樣品當(dāng)中。

 

石墨烯透明導(dǎo)電膜

 

國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）己研制出運(yùn)行速度最快的石墨烯晶體管。lBM公司于2010年12月發(fā)布了其與美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的共同研究成果——在SiC基板上形成的柵長(zhǎng)為240nm的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET),并驗(yàn)證其截止頻率為230GHz。石墨烯通過(guò)熱外理SiC基板而成膜。IBM表示,計(jì)劃將其應(yīng)用于高頻RF元件。

 

Rice大學(xué)研究人員正在著手研究一類存儲(chǔ)單元密度至少為閃存兩倍的石墨烯片狀存儲(chǔ)器。石墨烯是由沒(méi)有卷成納米管的純炭原子薄膜構(gòu)成,此次Rice大學(xué)研究人員首次將石墨烯用于架構(gòu)更簡(jiǎn)單的雙端存儲(chǔ)器件。

 

科學(xué)家發(fā)現(xiàn),石墨烯還是目前已知導(dǎo)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(lǐng)頭羊,一些電子設(shè)各,例如手機(jī),由于工程師們正在設(shè)法將越來(lái)越多的信息填充在信號(hào)中,它們被要求使用越來(lái)越高的頻率，然而手機(jī)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(wú)限廣闊了。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品,能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

 

(3)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(chǎng)上,用于檢測(cè)光纖中攜帶的信息。現(xiàn)在,這個(gè)角色還在由硅擔(dān)當(dāng),但硅的時(shí)代似乎就要結(jié)束。去年10月,IBM的一研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測(cè)器,接下來(lái)人們要期待的就是基于石墨烯的太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏了。

 

英國(guó)劍橋大學(xué)及法國(guó)CNR的研究人員已經(jīng)制造出超快鎖模石墨烯激光器。由于石墨烯為零能隙的半導(dǎo)體,這項(xiàng)研究成果不僅令人意外,而且顯示了石墨烯在光電器件上大有可為。

 

(4)納電子器件

 

石墨烯是納米電路的理想材料,也是驗(yàn)證量子效應(yīng)的理想材料。但是由于完整的石墨烯基本沒(méi)有帶隙,極大地限制了它在半導(dǎo)體器件上的應(yīng)用,所以為石墨烯開(kāi)啟一個(gè)帶隙,是一件非常重要的課題。近來(lái)研究表明,一維尺度受限的石墨烯納米帶具有一定的帶隙,可以獲得高性能的晶體場(chǎng)效應(yīng)管,增加芯片速度與效能、降低耗熱量。然而,制備寬度小于10nm的石墨烯納米帶是非常困難的問(wèn)題。

 

在納電子器件方面石墨烯的可能應(yīng)用包括:電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場(chǎng)效應(yīng)管;進(jìn)一步減小器件開(kāi)關(guān)時(shí)間,THz超高頻率的操作響應(yīng)特性;探索單電子器件在同一片石墨烯上集成整個(gè)電路。

 

據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)2010年6月10日?qǐng)?bào)道,美國(guó)科研人員利用石墨烯制造納米電路領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。設(shè)計(jì)出了簡(jiǎn)便、快速的納米電線制造方法,能夠調(diào)諧石墨烯的電學(xué)特征,使氧化石墨烯從絕緣物質(zhì)變成導(dǎo)電物質(zhì)。

 

美國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究人員用石墨烯制成了分子級(jí)電子電路。石墨烯可以被刻成擁有單個(gè)晶體管的電子電路,其尺寸不比分子大多少,晶體管尺寸越小,其功能越強(qiáng)。研究人員還表示,從氧化石墨烯到石墨烯的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換是制造導(dǎo)電性納米線的重要途徑,其不僅可應(yīng)用于軟性電子學(xué)領(lǐng)域,還有望用于生產(chǎn)與生物兼容的石墨烯電線,可被用于測(cè)量單個(gè)生物細(xì)胞的電子信號(hào)。

 

(5)優(yōu)良的太陽(yáng)能電池

 

因?yàn)槭┦峭该鞯?用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)良的透光性。透明的石墨烯薄可制成優(yōu)良的太陽(yáng)能電池。美國(guó)魯特格大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種制造透明石墨烯薄膜的技術(shù),這是一種幾厘米寬、1～5nm厚的薄膜。

 

石墨烯薄膜是一種平坦的單原子碳薄,可用于取代透明導(dǎo)電的ITO電極用于有機(jī)太陽(yáng)能電池。這些薄膜還用于取代顯示屏中的硅薄膜晶體管。石墨烯運(yùn)送電子的速度比硅快幾十倍,因而用石墨烯制成的晶體管工作得更快、更省電。美國(guó)南加州大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種柔性碳原子薄膜透明材料,并用它制作出有機(jī)太陽(yáng)電池。

 

(6)單分子傳感器

 

美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院的研究者最近發(fā)表的三項(xiàng)新研究成果表明石墨烯應(yīng)該用于制造風(fēng)力渦輪機(jī)和飛機(jī)機(jī)翼的增強(qiáng)復(fù)合材料。石墨烯可用作吸附劑、催化劑載體、熱傳輸媒體,可制成具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的電子元件,應(yīng)用于電池/電容器,即使在生物技術(shù)方面也可得到應(yīng)用。

 

2010年,美國(guó)萊斯大學(xué)利用該石墨烯量子點(diǎn),制作單分子傳感器。萊斯大學(xué)將石墨烯薄片與單層氦合形成石墨烷。氦使導(dǎo)電的石墨烯變換成為絕緣的石墨烷。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(dǎo)電的石墨烯阱。該導(dǎo)電的石墨烯阱就可作為量子阱。量子點(diǎn)的半導(dǎo)體特性要優(yōu)于體硅材料器件。這一技術(shù)可用來(lái)制作化學(xué)傳感器、太陽(yáng)能電池、醫(yī)療成像裝置或是納米級(jí)電路等。

 

(7)觸摸面板試制品不斷面世

 

除了高速高靈敏度器件之外，透明導(dǎo)電膜也是最接近實(shí)用化的的應(yīng)用例。設(shè)想作為目前普遍使用的ITO的替代材料，用于觸摸面板、柔性液晶面板、太陽(yáng)能電池及有機(jī)EL照明等。試制品也接二連三地面世。

 

透明導(dǎo)電膜這一用途備受期待的原因在于，石墨烯具備較高的載流子遷移率且厚度較薄。一般來(lái)說(shuō)，高透明性與高導(dǎo)電性是互為相反的性質(zhì)。從這一點(diǎn)來(lái)看，ITO正好處在透明性與導(dǎo)電性微妙的此消彼長(zhǎng)（Trade-off）關(guān)系的邊緣線上（如下圖）。這也是超越ITO的替代材料遲遲沒(méi)有出現(xiàn)的原因。

 

 

石墨烯在理論上有望避開(kāi)這種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系成為理想的透明導(dǎo)電膜。其原因是，由于載流子遷移率非常高，即使載流子密度較低，導(dǎo)電性也不容易下降。而載流子密度較低的話，會(huì)比較容易穿過(guò)更大波長(zhǎng)范圍的光。相當(dāng)于單個(gè)原子的超薄厚度同樣有助于提高透明性。

 

不僅是可見(jiàn)光，石墨烯還可透過(guò)大部分紅外線，這一性質(zhì)目前已為人所知。因此，對(duì)于還希望利用紅外線來(lái)發(fā)電的太陽(yáng)能電池而言，石墨烯有望成為劃時(shí)代的透明導(dǎo)電膜。與不適于彎曲的ITO相比，還具備柔性較高的優(yōu)勢(shì)。

 

不過(guò)，透明導(dǎo)電膜目前還存在很多問(wèn)題。由于制作大面積石墨烯時(shí)會(huì)混入很多雜質(zhì)及缺陷，因此大多數(shù)試制品的導(dǎo)電性及透明性都未達(dá)到ITO的水平。即便如此，石墨烯仍有望用來(lái)制作觸摸面板(如下圖所示)。

 

 

（a）為產(chǎn)綜研以石墨烯為透明導(dǎo)電膜制作的觸摸面板。（b）為使用CNT的例子

 

這個(gè)觸摸屏的工作原理很容易理解，觸摸屏由上下兩層粘在PET薄膜上的石墨烯構(gòu)成，沒(méi)有接觸的情況下，兩層石墨烯被下層上放置的絕緣點(diǎn)陣阻隔而互不接觸。當(dāng)外界壓力存在的時(shí)候，PET薄膜和石墨烯在壓力下發(fā)生形變，這樣上下兩層石墨烯就發(fā)生接觸，電路連通。接觸的位置不同，器件邊緣電極收集到的電信號(hào)也不一樣，通過(guò)對(duì)電信號(hào)的分析，就可以確定是觸摸屏上的哪個(gè)位置發(fā)生了接觸。三星公司的成功，讓人們看到，這種生成大尺寸石墨烯的方法完全適合于工業(yè)應(yīng)用，而且相對(duì)于傳統(tǒng)方法，成本低了很多。

 

(8)石墨烯納米生物傳感器

 

2010年3月，在中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)特別基金和國(guó)家自然基金項(xiàng)目的支持下,國(guó)家納米科學(xué)中心石墨烯納米生物傳感器研究取得突破。國(guó)家納米科學(xué)中心和美國(guó)哈佛大學(xué)合作首次成功制備了石墨烯與動(dòng)物心肌細(xì)胞的人造突觸,建立了一維、二維納米材料與細(xì)胞相結(jié)合的獨(dú)特研究體系,為生物電子學(xué)的研究帶來(lái)了新的機(jī)遇。

 

基于石墨烯的復(fù)合納米材料生物傳感器

 

(9)高速光學(xué)調(diào)制器

 

美國(guó)華裔科學(xué)家使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調(diào)制器，科學(xué)家表示，這個(gè)只有頭發(fā)絲四百分之一細(xì)的光學(xué)調(diào)制器具備的高速信號(hào)傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬(wàn)倍，一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影指日可待。這項(xiàng)研究的突破點(diǎn)就在于，用石墨烯這種世界上最薄卻最堅(jiān)硬的納米材料，做成一個(gè)高速、對(duì)熱不敏感，寬帶、廉價(jià)和小尺寸的調(diào)制器，從而解決了業(yè)界長(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題。

 

(10)石墨烯納米抗菌材料

 

2010年8月20日,美國(guó)化學(xué)會(huì)《ACS納米》雜志報(bào)道了中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所物理生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室在新型石墨烯納米抗菌材料方面的研究工作。

 

上海應(yīng)用物理所物理生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生胡文兵等在樊春海和黃慶研究員的指導(dǎo)下探索了氧化石墨烯的抗菌特性,發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯納米懸液在與大腸桿菌孵育2h后，對(duì)其抑制率超過(guò)90%,進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氧化石墨烯的抗菌性源于其對(duì)大腸桿菌細(xì)胞膜的破壞。

 

更重要的是：氧化石墨烯不僅是一種新型的優(yōu)良抗菌材料,而且對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞毒性很小。

 

此外,通過(guò)抽濾法能夠?qū)⒀趸┲苽涑杉埰瑯拥暮暧^石墨烯膜,也能有效地抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)。由于氧化石墨烯的制備簡(jiǎn)便、成本低廉,這種新型的碳納米材料有望在環(huán)境和臨床領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。中國(guó)科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無(wú)法生長(zhǎng),而人類細(xì)胞卻不會(huì)受損。利用這一點(diǎn)石墨烯可以用來(lái)做繃帶,食品包裝甚至抗菌T恤。

 

(11)其它

 

中國(guó)科學(xué)院金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料部的研究人員在石墨烯的研究方面取得的進(jìn)展主要包括以下三個(gè)方面:可控制備出高質(zhì)量石墨烯；提出了表征石墨烯結(jié)構(gòu)的新方法；開(kāi)展了石墨烯的應(yīng)用探索。在石墨烯的應(yīng)用方面，該實(shí)驗(yàn)室有研究人員在石墨烯宏量制備的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了石墨烯在場(chǎng)發(fā)射體、超級(jí)電容器、鋰離子電池和透明導(dǎo)電膜等方面的應(yīng)用探索。