乔明　王莹

[摘 要]文章介绍了石墨烯兴起的过程，并结合石墨烯的结构特征分析了其独特的电学、光学、热学和机械学等优良性质。作为产业化应用的前提，文章阐述了石墨烯的制备方法以及它们各自的优势与劣势，探究了石墨烯材料未来的应用前景。

[关键词]石墨烯；二维材料；性质；应用

中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0308-01

石墨烯的兴起

石墨烯研究历史可以追溯到1947年，多年来未受到广泛关注。直到2004年，英国的Andre Geim和Konstantin Novoselov从石墨中首次剥离出单层石墨——石墨烯，并发现这种已知的最薄、最坚硬的纳米材料具有异常独特性质。自此以后，大家深信石墨烯在不久的将来会有巨大的应用潜力和市场前景，甚至有人认为石墨烯产业化很快就要到来[1]。

1.石墨烯的结构与性质

石墨烯一层被剥离的石墨分子，结构是碳原子紧密堆积成二维蜂窝状的晶格结构，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键。由于每个碳原子有一个剩余的p轨道电子可以自由移动，所以石墨烯具有良好的导电性，其电阻率只有约1 Ω·m，为世上电阻率最小的材料。电子在石墨烯的二维结构中传输时，表现为无质量的费米子，所以石墨烯展现出许多同二维Dirac费米子特征相符的传输特性，包括量子霍尔效应，载流子浓度趋向为零时仍然存在的最小电导率4e2/h，和带有π相移的Shbnikov-de Haas振荡。

石墨烯也展现出独特的光学性质。单层石墨烯只有一个原子的厚度，约为0.34nm，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的入射光。石墨烯的线性能带结构和无带隙特性允许光吸收的带间跃迁在很宽的波长范围内发生，表现为比较平坦的光吸收系数。科学家们还发现石墨烯具有极强的非线性效应，其三阶电极化率高达10-7esu，因此其具有低阈值的宽带可饱和吸收效应。此外，石墨烯的导热系数高达5300W/m·K，远高于碳纳米管和金刚石。石墨烯的机械强度和受损阈值也非常大，是目前已知的最坚硬的纳米材料。

石墨烯由于其独特的结构和优异的性能，已经在多个领域引起了人们的广泛兴趣，越来越多的科学家开始研究石墨烯的性能和应用[2]。

2.石墨烯的制备

2.1 机械剥离法

机械剥离法是通过机械力直接从石墨晶体的表面剥离出石墨烯片层，该方法能够制备结构和电学品质都很高的、大小为毫米量级的单层石墨烯，其获得的样品多用于基础研究中，但是在产量和吞度量方面存在不足，不适于大规模应用生产。

2.2外延生长法

外延生长法就是通过加热单晶6H-SiC以脱除Si，从而在0001和000面上分解出石墨烯片层。这种方法得到的石墨烯可以分为两种：一种是生长在Si层上的石墨烯，由于和Si层接触，这种石墨烯的导电性受到较大影响；另一种是生长在C层上的石墨烯，有着极为优良的导电能力。外延生长法得到的石墨烯比较难以控制缺陷和多晶畴结构，物理性质受SiC衬底的影响很大，并且难以从SiC衬底上分离，不能成为大量制造石墨烯的方法。

2.3氧化石墨烯法

这是目前广泛应用的一种方法。氧化石墨烯法就是将石墨片化学氧化为氧化石墨，氧化石墨可以在水中和许多溶液中溶解，经过适当的超声振荡处理在水溶液或有机溶液中分散成均匀的氧化石墨烯的悬浊液，再通过化学还原获得石墨烯薄片。该方法效率高、成本低、能够大规模工业化生产，但是石墨烯的电子结构以及晶体的完整性会受到强氧化剂的破坏。

2.4化学气相沉积法

化学气相沉积法原理是将一种或多种气态物质导入到一个反应腔里进行化学反应，生成一种新的物质沉积在衬底表面，它被认为是最有前途的大规模制备石墨烯薄片的方法。用这种方法制备的石墨烯的尺寸在不断的进步，现在大于1m的石墨烯薄膜样品已经能够制备和用于生产。利用这个方法，可以在石墨烯生长过程中对其进行化学掺杂，这对于许多光电子器件非常重要。但是这种方法制备的石墨烯在性能上仍有一些缺陷，例如与机械剥离法获得的石墨烯样品相比，前者很难观察到量子霍尔效应，石墨烯的电子性质受衬底的影响也很大。

3.石墨烯的应用与发展

3.1 计算机芯片材料

硅基的计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作，然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少，石墨烯本身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量。所以，如果由石墨烯制造电子产品，其运行的速度可以得到大幅提高。与硅相比，石墨烯被分割时其基本物理性能并不改变，而且其电子性能还有可能异常发挥。因而，当硅无法再分割得更小时，比硅还小的石墨烯可继续维持摩尔定律，从而极有可能成为硅的替代品推动微电子技术继续向前发展。

3.2 透明导电材料

显示器、触摸屏、太阳能电池等光电子器件都要求电极材料具有较低的薄膜电阻和较高的透明性。目前的透明导体材料大多是半导体，其中应用最广泛的当属氧化铟锡（ITO），它含有90%的In2O3和10%的SnO2。但是，ITO有许多应用缺陷，人们努力在寻找新的性能更好的透明导电材料，金属薄膜、金属纳米线、碳纳米管和石墨烯都成为了ITO的替代品而被大家广泛研究。相比于其它几种材料，石墨烯薄膜具有更宽的光谱透射区，这对于光电子器件来说是一个巨大的优势。

3.3 导电、导热和防腐涂料

石墨烯的二维结构使得其成为理想的填料用于功能涂料涂层，因为石墨烯不但可以在涂层中构建导电导热通道，又可以互相拼接形成严密的迷宫式物理屏障，隔绝腐蚀因子。所以，基于石墨烯的功能涂料可以具有导电、导热、防腐、电磁屏蔽等多种功能。另外，加入石墨烯进一步可以增强涂层的附着力，使其具有优良的耐磨和耐刮擦性能。所以，石墨烯涂料在船舶、飞机、建筑物、桥梁以及日常用具（如不沾锅、电熨斗）等领域具有广泛的应用前景。

3.4 抗静电塑料

近期，基于石墨烯的抗静电塑料母粒成为了业界努力研发的方向，人们希望石墨烯在高分子材料中具有良好的分散能力，以实现少量添加就能大幅提高材料电导率的效果。实验表明，石墨烯材料在聚乙烯、聚丙烯和尼龙等多种高分子材料中都可顺利添加，且分散良好，石墨烯在抗静电塑料方面的应用效果十分明显[3]。

4.结束语

石墨烯的基础研究和产业化发展依然面临着许多重大挑战，各方面的竞争也日趋激烈。我国是最早开展石墨烯研究的国家之一，在石墨烯基础研究以及产业化应用研发中处于世界前列。为继续保持这一优势，并在未来的石墨烯产业中占据战略主动，仍然需要科学界、产业界以及政府相关部门继续紧密合作。

参考文献

[1] F. Bonaccorso， Z. Sun， T. Hasan， A. C. Ferrari. Graphene Photonics and Optoelectronics[J]. Nature Photonics. 2010，10： 10-13.

[2] 徐秀娟，秦金贵，李振.石墨烯研究进展[J]. 化学进展. 2009， 21（12）：30-32.

[3] 黄桂荣.石墨烯的合成与应用[J].炭素技术.2009，29（1）：35-38

作者简介

乔明：（ 1984—）男，硕士，讲师，研究方向为电气自动化

王莹：（1981—）女，硕士，讲师，研究方向为供用电技术