新型材料及應(yīng)用選修作業(yè)--神奇的石墨烯1

1、學(xué) 號(hào)： 選修課結(jié)課作業(yè) -新型材料及應(yīng)用（學(xué)生姓名： 郭凱學(xué) 院：材料科學(xué)與工程 系 別：材料物理 專(zhuān) 業(yè)：材料物理班 級(jí)：材料物理082010 年 12月神 奇 的 石 墨 烯背 景2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈K海姆(Andre K. Geim)等制備出了石墨烯。純凈的石墨烯是一種只有一個(gè)原子厚的結(jié)晶體，具有超薄(一個(gè)原子厚度)、超堅(jiān)固和超強(qiáng)導(dǎo)電性能(電子通過(guò)率幾乎達(dá)到100)等特性。石墨烯在被研制成功并首次公布后，立即成為材料學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，科學(xué)界認(rèn)為石墨烯極有可能取代硅而成為未來(lái)的半導(dǎo)體材料，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。斯德哥爾摩2010年10月5日電 瑞典皇家科學(xué)院5日

2、宣布，將2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈K海姆和康斯坦丁沃肖洛夫，以表彰他們?cè)谑┎牧戏矫娴淖吭窖芯俊＝鼛啄陙?lái) ，石墨烯以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在化學(xué)、物理和材料學(xué)界引起了轟動(dòng)。石 墨 烯 的 歷 史理論到實(shí)驗(yàn)的歷程1947年, 提出石墨烯的概念, 理論探討(電子結(jié)構(gòu)和線(xiàn)性頻散關(guān)系): P. R. Wallace, The band theory of graphite, Phys. Rev. 71, 622-634, 1947）1956年, 建立石墨烯的激發(fā)態(tài)的波動(dòng)方程: J. W. McClure, Diamagnetism of Graphite, Phys

3、ical Review, 104, 666-671, 19561984年, 該方程與Dirac方程的相似性被發(fā)現(xiàn): G. W. Semenoff, Condensed-matter simulation of a three-dimensional anomaly, Physical Review Letters 53, 2449-2453, 1984; 以及, D. P. DiVincenzo & E. J. Mele, Self-consistent effective-mass theory for intralayer screening in graphite intercalati

4、on compounds, Physical Review B, 29, 1685-1694, 19841999 年, 提出實(shí)驗(yàn)方法, 但是沒(méi)有做成功: X. K. Lu, M. F. Yu, H. Huang, and R. S. Ruoff, Tailoring Graphite with the Goal of Achieving Single Sheets, Nanotechnology, 10, 269-272, 19992004年, 用該方法, 得到穩(wěn)定的石墨烯片: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Z

5、hang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films , Science 306, 666-669, 2004; 隨后的一系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)及擴(kuò)充有關(guān)的研究成果: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, and A. A. Firsov, Two-dimensi

6、onal gas of massless Dirac fermions in grapheme, Nature, 438, 197-200, 2005Y. B. Zhang, Y. W. Tan, H. L. Stormer, and P. Kim, Experimental observation of the quantum Hall effect and Berrys phase in graphene, Nature, 438, 201-204, 2005K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevi

7、ch, S. V. Morozov, and A. K. Geim, Two-dimensional atomic crystals, Proceedings of the national academy of sciences of united states of America, 102, 10451-10453, 2005I. I. Barbolina, K. S. Novoselov, S. V. Morozov, S. V. Dubonos, M. Missous, A. O. Volkov, D. A. Christian, I. V. Grigorieva, and A. K

8、. Geim, Submicron sensors of local electric field with single-electron resolution at room temperature, Applied physics letters, 88, 013901, 2006E. W. Hill, A. K. Geim, K. Novoselov, F. Schedin, and P. Blake, Graphene spin valve devices, IEEE Transactions on magnetics, 42, 2694-2696, 20062005年后, 有關(guān)研究

9、爆炸性增長(zhǎng). 背景: 對(duì)得到單原子層的膜片, 給出不樂(lè)觀(guān)結(jié)果的有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究:H. P. Boehm, A. Clauss, U. Hofmann, and G. O. Fischer, Zeitschrift Fur Naturforschung, B17, 150, 1962A. Van Bommel, J. Crombeen, and A. Van Tooren, Surface Science, 48, 463, 1975I. Forbeaux, J. Themlin, and J. Debever, Physical Review B, 58, 16393, 1998C. Oshima

10、, A. Itoh, E. Rokuta, and T. Tanaka, Solid state communications, 116, 37, 2000對(duì)比: 其它方法的進(jìn)步: 1975年, A. Van Bommel, J. Crombeen, and A. Van Tooren, Surface Science, 48, 463, 19751998年, I. Forbeaux, J. Themlin, and J. Debever, Physical Review B, 58, 16396, 1998在知道能制成穩(wěn)定的石墨烯片后, 用上面兩篇論文方法（有點(diǎn)改進(jìn)）, 給出: 2004年,

11、 C. Berger, Z. M. Song, T. B. Li, X. B. Li, A. Y. Ogbazghi, R. Feng, Z. T. Dai, A. N. Marchenkov, E. H. Conrad, P. N. First, and W. A. de Heer, Journal of Physical Chemistry B, 108, 19912, 2004(W. A. de Heer, C. Berger, and P. N. First, 石墨薄片器件及方法專(zhuān)利).得到穩(wěn)定的石墨烯片在基礎(chǔ)理論上的意義: 1929年, 針對(duì)二維Dirac方程, O. Klein提出

12、隧穿效應(yīng): O. Klein, Z Phys., 53, 157, 19292006年, Katsnelson, Geim, 和Novoselov 提出可以用石墨烯來(lái)檢驗(yàn)Klein隧穿效應(yīng): M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, Nature Physics, 2, 620, 2006 2009年, 得到證實(shí): A. F. Young & P. Kim, Nature Physics, 5, 222, 2009用石墨烯測(cè)量分?jǐn)?shù)量子Hall效應(yīng), 精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù), 等: R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grig

13、orenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres, and A. K. Geim, Science, 320, 1308, 2008石 墨 烯 的 性 質(zhì)石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種炭質(zhì)新材料，碳原子排列與石墨的單原子層一樣。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0335 nm，厚度僅為頭發(fā)的20萬(wàn)分之一， 是構(gòu)建其他維數(shù)炭質(zhì)材料(如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨)的基本單元，具有極好的結(jié)晶性及電學(xué)質(zhì)量和非凡的電子學(xué)、熱力學(xué)和力學(xué)性能。盡管石墨烯只有一個(gè)碳原子厚度，并且是已知材料中最薄的種。然而卻非

14、常牢固堅(jiān)硬，它比鉆石還強(qiáng)硬。石墨烯內(nèi)原子中六個(gè)電子因在同一個(gè)軌道面上繞核運(yùn)轉(zhuǎn)，這原子便結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊半徑小。這半徑很小的原子由其側(cè)間的強(qiáng)引力連結(jié)成的原子片（石墨烯）便似網(wǎng)孔很小的魚(yú)網(wǎng)，其面的比重所以很大。石墨烯因由碳原子四側(cè)之強(qiáng)引力即碳-碳鍵連結(jié)而成，拉伸它的阻力便是這原子四側(cè)的強(qiáng)引力；因拉伸要涉及石墨烯中全部原子四側(cè)的強(qiáng)引力，其阻力就必特別的大，所以石墨烯拉伸強(qiáng)度特大，其強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還高100倍。石墨烯也是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料，其電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。此外，石墨烯還具有許多優(yōu)異的性能：如較高的楊氏模量(1100GPa)、熱導(dǎo)

15、率(5000WIn-1K-1)、較高的載流子遷移率(2 X 105 cm2V-1 s-1)、巨大的比表面積(理論計(jì)算值2630 m2 g-1)、鐵磁性等等。這些優(yōu)越的性質(zhì)及其特殊的二維結(jié)構(gòu)使得科學(xué)家認(rèn)為石墨烯擁有非常美好的發(fā)展前景。石墨烯潛在的應(yīng)用價(jià)值也隨著研究的不斷進(jìn)行而逐步得到了體現(xiàn)。由于具有原子尺寸的厚度，優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，極其微弱的自旋一軌道耦合，超精細(xì)相互作用的缺失以及電學(xué)性能對(duì)外場(chǎng)敏感等特性，石墨烯可望在納米電子器件、電池超級(jí)電容、儲(chǔ)氫材料、場(chǎng)發(fā)射材料以及超靈敏傳感器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。石墨烯良好的導(dǎo)電性，使其在微電子領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，可用來(lái)制造具有超高性能的電子產(chǎn)品。由于平

16、面的石墨烯晶片很容易使用常規(guī)技術(shù)進(jìn)行加工，這為制造納米器件提供了很大的靈活性，甚至可能在一層石墨烯單片上直接加工出各種半導(dǎo)體器件和互連線(xiàn)，從而獲得具有重大應(yīng)用價(jià)值的全碳集成電路。以石墨烯為原料還可以制備出只有1個(gè)原子厚、10個(gè)原子寬，尺寸不到1個(gè)分子大小的單電子晶體管。這種納米晶體管具有其他晶體管所沒(méi)有的一些優(yōu)越性能：比如石墨烯具有較高的穩(wěn)定性，即使被切成1納米寬的元件，其導(dǎo)電性也很好，且隨著晶體管尺寸的減小，其性能卻越好；同時(shí)，該納米電子晶體管在室溫下也可以正常工作。這些優(yōu)越的性能使得人們朝著制造可靠的納米級(jí)超小型晶體管的方向邁出了重要一步。石墨烯也可以作為超級(jí)電容器元件中儲(chǔ)存電荷的新型碳基

17、材料。由于石墨烯的理論比表面積能達(dá)到了2630 m2g，這就意味著電解液中大量的正負(fù)離子可以?xún)?chǔ)存于石墨烯單片上形成一個(gè)薄層，從而達(dá)到極高的電荷儲(chǔ)存水平。該石墨烯超級(jí)電容器有望可以顯著改善電力及混合動(dòng)力交通工具的效率和性能，甚至日常的辦公用復(fù)印機(jī)、移動(dòng)電話(huà)等等。利用石墨烯可以制成精確探測(cè)單個(gè)氣體的化學(xué)傳感器，從而可以提高一些微量氣體快速檢測(cè)的靈敏性，而石墨烯在電子學(xué)上的高靈敏性還可用于外加電荷，磁場(chǎng)及機(jī)械應(yīng)力等環(huán)境下的敏感檢測(cè)。此外，石墨烯良好的機(jī)械性能、導(dǎo)電性及其對(duì)光的高透過(guò)性使其在透明導(dǎo)電薄膜電極和各種柔性電子器件的應(yīng)用中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，比如可以用在液晶顯示以及太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。最近，在Natur

18、e，Science等一些雜志中也相繼報(bào)道了石墨烯常溫下的量子霍爾效應(yīng)117以w。量子霍爾效應(yīng)(Quantum Hall Effect，QHE)是在低溫、高磁場(chǎng)下二維金屬電子氣體中發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)，即縱向電壓和橫向電流的比值(霍爾常數(shù)RH=VI=hve2，he2為量子化電阻率)是量子化。通常情況下，QHE需要在低溫下實(shí)現(xiàn)，一般低于液氦的沸點(diǎn)。之前觀(guān)察到QHE的溫度還沒(méi)有超過(guò)30K。在石墨烯中，由于石墨烯載流子非比尋常的特性，表現(xiàn)得像無(wú)質(zhì)量的相對(duì)論粒子(無(wú)質(zhì)量的迪拉克費(fèi)米子)，并且在周?chē)h(huán)境下載流子的遷移伴隨著很少的散射，因而石墨烯的QHE可以在室溫下被觀(guān)察到。Geim AK等人就在300K的條件下觀(guān)察

19、到了石墨烯的QHE。除了整數(shù)霍爾效應(yīng)外，由于石墨烯特有的能帶結(jié)構(gòu)，也導(dǎo)致了新的電子傳導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)生，如分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)(即v為分?jǐn)?shù))。隨著研究的不斷深入，石墨烯其他一些奇特的性能也相繼被發(fā)現(xiàn)：比如石墨烯具有較好的導(dǎo)電性能，然而其邊緣的晶體取向卻對(duì)石墨烯的電性能有著相當(dāng)重要的影響：鋸齒型邊緣表現(xiàn)出了強(qiáng)邊緣態(tài)，而椅型邊緣卻沒(méi)有出現(xiàn)類(lèi)似情況。尺寸小于10 nm、邊緣主要是鋸齒型的石墨烯片表現(xiàn)出了金屬性，而不是先前預(yù)期的半導(dǎo)體特性。再如，在制備石墨烯晶體管時(shí)，IBM公司發(fā)現(xiàn)通過(guò)疊加兩層石墨烯可以明顯地降低晶體管的噪音，獲得了低噪聲的石墨烯晶體管晶體管。(通常情況下，普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱(chēng)做1

20、f的噪音會(huì)越來(lái)越明顯，從而使器件信噪比惡化。這種現(xiàn)象就是“波格規(guī)則”，石墨烯、碳納米管以及硅材料都會(huì)產(chǎn)生該現(xiàn)象。)可能由于兩層石墨烯之間生成了強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制了1f噪音，使得石墨烯晶體元器件的電噪聲降低10倍。這一發(fā)現(xiàn)大幅改善晶體管的性能，從而有助于制造出比硅晶體管速度快、體積小、能耗低的石墨烯晶體管。石墨烯具有非常豐富和奇特的性質(zhì)，這使人們對(duì)石墨烯衍生物也進(jìn)行了廣泛的研究，如石墨烯納米帶(graphenenanoribbon)，石墨烯的氧化衍生物(grapheneoxide)，利用加氫過(guò)程獲得的新材料石墨烷(graphane)以及具有磁性石墨烯衍生物(graphone)等等。在這些衍生物

21、中又以石墨烯納米帶和氧化石墨烯最為矚目。石墨烯納米帶被認(rèn)為是制各納米電子和自旋電子器件的一種理想的組成材料。根據(jù)不同的碳取材來(lái)源和不同的結(jié)構(gòu)，石墨烯納米帶有不同的特性，有些具有半導(dǎo)體性能，有些則是有金屬性質(zhì)，從而也使得石墨烯納米帶成為未來(lái)半導(dǎo)體候選材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，使其成為制備石墨烯和基于石墨烯復(fù)合材料的理想前驅(qū)體。此外，在開(kāi)拓挖掘石墨烯潛在的性能和應(yīng)用方面，基于石墨烯的復(fù)合材料也受到了極大的關(guān)注，并且這類(lèi)復(fù)合材料已在能量?jī)?chǔ)存、液晶器件、電子器件、生物材料、傳感材料、催化劑載體等領(lǐng)域展示出了優(yōu)越的性能和潛在的應(yīng)用。總之，不斷出新的性質(zhì)、衍生物、復(fù)合材料以及功能器件，極大

22、地豐富了石墨烯研究的方向、開(kāi)拓了人們的視野，使得基于石墨烯的材料成為了一個(gè)充滿(mǎn)魅力與無(wú)限可能的研究對(duì)象。石 墨 烯 的 表 征 方 法原子力顯微鏡（AFM）由于單層石墨烯厚度只有0.335nm，在掃描電鏡（SEM）中很難觀(guān)察到，原子力顯微鏡是確定石墨烯結(jié)構(gòu)最直接的辦法。 光學(xué)顯微鏡單層石墨烯附著在表面覆蓋著一定厚度（300nm）的SiO2層Si晶片上，可以在光學(xué)顯微鏡下觀(guān)測(cè)到。這是因?yàn)閱螌邮珜雍鸵r底對(duì)光線(xiàn)產(chǎn)生的干涉有一定得對(duì)比度。受空氣-石墨層-SiO2層間的界面影響。 Raman光譜Roman光譜的形狀、寬度和位置與其測(cè)試的物體層數(shù)有關(guān)，為測(cè)量石墨烯層數(shù)提供了一個(gè)高效率、無(wú)破壞的表征手段。

23、 石墨烯和石墨本體一樣在1580cm ( G峰) 和2700cm (2峰) 2個(gè)位置有比較明顯的吸收峰，相比石墨本體，石墨烯在1580 cm處的吸收峰強(qiáng)度較低，而在2700 cm 處的吸收峰強(qiáng)度較高， 并且不同層數(shù)的石墨烯在2700 cm 處的吸收峰位置略有移動(dòng)。 石 墨 烯 的 制 備合成石墨烯的方法有很多 ,例如微機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法、溶劑剝離法、溶劑熱法、電化學(xué)法、石墨插層法、加熱SiC法、取向附生法以及由納米管制造石墨烯帶等。近年來(lái)的研究表明 ,石墨烯的功能化解決了石墨烯自身難加工的特性 ,開(kāi)拓了石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域 ,使其具有許多優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能 ,引起

24、了整個(gè)科學(xué)界的關(guān)注 ,取得了重大成果。1、微機(jī)械剝離法2004 年 ,Geim 等 首次用微機(jī)械剝離法 ,成功地從高定向熱裂解石墨 (highly oriented pyrolyticgraphite)上剝離并觀(guān)測(cè)到單層石墨烯。Geim 研究組利用這一方法成功制備了準(zhǔn)二維石墨烯并觀(guān)測(cè)到其形貌,揭示了石墨烯二維晶體結(jié)構(gòu)存在的原因。2007 年 Meyer 等 發(fā)現(xiàn)單層石墨烯表面有一定高度的褶皺 ,單層石墨烯表面褶皺程度明顯大于雙層石墨烯 ,且隨著石墨烯層數(shù)的增加褶皺程度越來(lái)越小。從熱力學(xué)的角度來(lái)看 ,這可能是由于單層石墨烯為降低其表面能 ,由二維向三維形貌轉(zhuǎn)換 ,進(jìn)而可推測(cè)石墨烯表面的褶皺可能是

25、二維石墨烯存在的必要條件 ,石墨烯表面的褶皺對(duì)其性能的影響有待科學(xué)家進(jìn)一步探索。微機(jī)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(mǎn)足工業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)要求 ,目前只能作為實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模制備。2、化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition ,CVD)首次在規(guī)?；苽涫┑膯?wèn)題方面有了新的突破。CVD 法是指反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面 ,進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。目前有麻省理工學(xué)院的 Kong 等 、韓國(guó)成均館大學(xué)的 Hong 等 和普渡大學(xué)的 Chen 等 ,3 個(gè)獨(dú)立的研究組在利用 CVD

26、 法制備石墨烯。他們使用的是一種以鎳為基片的管狀簡(jiǎn)易沉積爐 ,通入含碳?xì)怏w ,例如碳?xì)浠衔?,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(guò)輕微的化學(xué)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(shí)電導(dǎo)率即可達(dá)到 1.1 10的六次方 S/ m ,成為目前透明導(dǎo)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(jià)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(mǎn)足規(guī)?；苽涓哔|(zhì)量石墨烯的要求 ,但成本較高 ,工藝復(fù)雜。3、 氧化-還原法目前 ,氧化-還原法以其低廉的成本且容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；膬?yōu)勢(shì)成

27、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(wèn)題。氧化-還原法是指將天然石墨與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化性物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨(GO) ,經(jīng)過(guò)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(tuán) ,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(jiǎn)單易行的工藝成為實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯的最簡(jiǎn)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(guò)加入化學(xué)物質(zhì)例如二甲肼、對(duì)苯二酚、硼氫化鈉(NaBH4 )和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基團(tuán) ,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(wèn)題

28、。石墨烯具有極大的比表面積 ,容易發(fā)生不可逆團(tuán)聚 ,一旦團(tuán)聚 ,石墨烯粉末也很難分散于溶劑中。研究表明 ,石墨烯在環(huán)戊酮中分散性最好 ,但可分散濃度也只有 815g/mL ,要拓展石墨烯在噴涂和液2液自組裝等領(lǐng)域的應(yīng)用 ,就需要制備穩(wěn)定的石墨烯懸浮液。Li 等 通過(guò)用氨水調(diào)節(jié)溶液的 pH 為 10 左右 ,控制石墨烯層間22212的靜電作用 ,制備出了在水中穩(wěn)定分散的石墨烯懸浮液 ,而且擁有相當(dāng)高的電導(dǎo)率(7200S/ m) 。氧化-還原法唯一的缺點(diǎn)是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?fù)淙毕莼虼嬖?OH 基團(tuán)的結(jié)構(gòu)缺陷 ,這些將導(dǎo)致石墨烯部分電學(xué)性能的損失 ,使石墨烯的應(yīng)

29、用受到限制 ,但是這種制備方法簡(jiǎn)便且成本較低 ,不僅可以制備出大量石墨烯懸浮液 ,而且有利于制備石墨烯的衍生物 ,拓展了石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域。4、 溶劑剝離法溶劑剝離法是最近兩年才提出的 ,它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(shí)溶劑可以插入石墨層間 ,進(jìn)行層層剝離 ,制備出石墨烯。此方法不會(huì)像氧化-還原法那樣破壞石墨烯的結(jié)構(gòu) ,可以制備高質(zhì)量的石墨烯。劍橋大學(xué) Hernandez等 發(fā)現(xiàn)適合剝離石墨的溶劑最佳表面張力應(yīng)該在4050mJ/ m的平方 ,并且在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的產(chǎn)率最高(大約為8 %) ,電導(dǎo)率為6500S/ m

30、。進(jìn)而B(niǎo)ar2ron 等 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(gè)液相剝離的過(guò)程沒(méi)有在石墨烯的表面引入任何缺陷 ,為其在微電子學(xué)、多功能復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的應(yīng)用前景。唯一的缺點(diǎn)是產(chǎn)率很低 ,限制它的商業(yè)應(yīng)用。5、 溶劑熱法溶劑熱法是指在特制的密閉反應(yīng)器(高壓釜)中 ,采用有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì) ,通過(guò)將反應(yīng)體系加熱至臨界溫度(或接近臨界溫度) ,在反應(yīng)體系中自身產(chǎn)生高壓而進(jìn)行材料制備的一種有效方法。Choucair 等 用溶劑熱法解決了規(guī)?；苽涫┑膯?wèn)題,同時(shí)也帶來(lái)了電導(dǎo)率很低的負(fù)面影響。為解決由此帶

31、來(lái)的不足 ,研究者將溶劑熱法和氧化還原法相結(jié)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(diǎn)越來(lái)越受科學(xué)家的關(guān)注。溶劑熱法和其他制備方法的結(jié)合將成為石墨烯制備的又一亮點(diǎn)。6、電化學(xué)法Liu 等用石墨棒做電極，離子性溶液為電解液，用電化學(xué)法使陽(yáng)極石墨片層剝落。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)離子液體的種類(lèi)、離子液體與水的比例都影響氧化石墨烯的性能。這種方法制備出的為氧化石墨烯，片層既可以在極性溶劑中很好地分散，而且有一定程度的導(dǎo)電性。7、石墨插層法石墨插層法是以天然鱗片石墨為原料，將插入物質(zhì)與石墨混合反

32、應(yīng)得到的。插入物質(zhì)使石墨層間的作用力被削弱。通過(guò)進(jìn)一步的超聲和離心處理便可得到石墨烯片。此方法制備出的石墨片，其厚度一般最小只能達(dá)到幾十納米，而且加入的強(qiáng)酸強(qiáng)堿等插層物質(zhì)會(huì)破壞石墨烯的sp2 結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致它的物理和化學(xué)性能受到影響。8、加熱SiC 法該法是通過(guò)加熱單晶6H-SiC 脫除Si，在單晶(0001)面上分解出石墨烯片層。具體過(guò)程是：將經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過(guò)電子轟擊加熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后，將樣品加熱使溫度升高至1 250 1 450 后恒溫120 min，從而形成極薄的石墨層。該方法通常會(huì)產(chǎn)生比較難以控制的缺陷以及多晶疇結(jié)構(gòu)，很

33、難獲得較好的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。9、取向附生法取向附生法是利用生長(zhǎng)基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯。首先讓碳原子在2 550 下滲入釕，然后冷卻到2 310 ，之前吸收的大量碳原子就會(huì)浮到釕表面，鏡片形狀的單層碳原子“孤島”布滿(mǎn)了整個(gè)釕表面，最終它們可長(zhǎng)成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋80%后，第二層開(kāi)始生長(zhǎng)。底層的石墨烯會(huì)與釕產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，而且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會(huì)影響碳層的特性。10、由納米管(MCNTs) 制造石墨烯帶(GRNs)之前, 研究人員使用化學(xué)藥品或超聲

34、波將石墨烯切成帶狀, 但該方法無(wú)法用來(lái)大規(guī)模制造石墨烯帶, 也無(wú)法控制其寬度。James 小組和Dai 小組分別使用碳納米管成功地制造出幾十納米寬的石墨烯納米帶。Dai 小組使用從半導(dǎo)體工業(yè)借鑒過(guò)來(lái)的蝕刻技術(shù)切開(kāi)納米管, 他們將4 18nm 的MC-NT s 沉積在Si 沉底上, 利用旋轉(zhuǎn)噴涂技術(shù)在MCNTs 表面涂覆一層300nm 厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 薄膜, 接著使用經(jīng)過(guò)電離的氬氣來(lái)蝕刻每個(gè)納米管的每一個(gè)條帶(由于刻蝕時(shí)間不同, 可獲得不同層數(shù)的GRNs) , 最后利用丙酮蒸氣去除PMMA, 并于300 下煅燒10min 去除剩余的聚合物, 從而得到10 20 nm 的GRNs

35、。James 小組則使用高錳酸鉀和硫酸的混合物, 在比較溫和的條件下, 沿著一個(gè)軸心打開(kāi)納米管, 他們得到的絲帶要寬一些, 大約為100 500nm。這些絲帶雖不是半導(dǎo)體, 但更容易大規(guī)模制造。James 相信, 他的絲帶能用來(lái)制造太陽(yáng)能電池板、可彎曲的觸摸顯示屏, 還能夠制成輕薄、導(dǎo)電的纖維, 以取代在飛機(jī)和宇宙飛船上使用的笨重銅線(xiàn)。Dai 研究小組的窄帶具有導(dǎo)電性能, 因此在電子工業(yè)將具有廣泛用途, 他們已使用石墨烯帶制造出了基本的晶體管。石墨烯的功能化目前石墨烯的功能化已經(jīng)發(fā)展成為制備某種特定性能的石墨烯或是解決石墨烯某方面性能的不足 ,功能化石墨烯不僅保持了原有的性能 ,還表現(xiàn)出修飾基

36、團(tuán)的反應(yīng)活性 ,為石墨烯的分散和反應(yīng)提供了可能,從而拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)表面化學(xué)成鍵方式的不同 ,石墨烯的功能化可以分為非共價(jià)鍵功能化和共價(jià)鍵功能化。1非共價(jià)鍵功能化非共價(jià)鍵功能化是指借助2作用、氫鍵或靜電作用使石墨烯功能化 ,提高石墨烯的性能。北京大學(xué)的 Hou 等 利用高共軛體系擁有大量的電子的2 ,2-2(2-52已二烯1 ,4-二基)丙二腈(TCNQ)制備水溶性和有機(jī)溶劑性石墨烯分散液。TCNQ 很容易和石墨烯表面通過(guò)2作用而吸附 ,而且 TCNQ比較容易離子化 ,使其成為帶負(fù)電的陰離子 ,有利于制備功能化的石墨烯分散液 ,制備的石墨烯可以在N ,N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜極性溶劑中

37、穩(wěn)定分散。還有利用磺化聚苯胺共軛作用制備水溶性石墨烯分散液 ,而且制備的石墨烯粉末具有一定的可分散性。2 共價(jià)鍵功能化共價(jià)鍵功能化石墨烯是在利用化學(xué)路線(xiàn)合成石墨烯的過(guò)程中 ,在氧化石墨表面接枝上具有其他功能結(jié)構(gòu)的分子 ,主要是化學(xué)路線(xiàn)合成的石墨烯存在大量的含氧基團(tuán) ,例如羧基、羥基、環(huán)氧基等 ,這些基團(tuán)可以使一些化合物很容易以共價(jià)鍵的形式接枝在石墨烯表面。上海復(fù)旦大學(xué) Ye 帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì) 利用靜電作用使石墨烯均勻的分散于樹(shù)脂和涂料中 ,制備了石墨烯復(fù)合材料。石墨烯表面通過(guò)共價(jià)鍵分別接枝上聚丙烯酰胺(PAM)和聚丙烯酸(PAA) ,在一定條件下 PAM 帶正電 ,PAA 帶負(fù)電 ,這使得石墨烯表面

38、帶上電荷 ,通過(guò)靜電作用 ,正電層和負(fù)電層通過(guò)層層自組裝形成多層結(jié)構(gòu)。Niu 等 制備的聚左旋賴(lài)氨酸功能化的石墨烯新型材料 ,這種物質(zhì)具有很好的水溶性和生物相容性 ,為石墨烯在生物方面的應(yīng)用提供了有力的依據(jù)。石墨烯還可以被芳基重氮鹽、聚丙烯酸鹽和聚乙烯醇修飾 ,使石墨烯在不添加任何表面活性劑的條件下就可以長(zhǎng)期穩(wěn)定分散于溶劑中 ,而且提高了其在溶劑中的分散濃度 。隨著石墨烯的進(jìn)一步研究 ,石墨烯功能化越來(lái)越受到科研工作者的關(guān)注。石 墨 烯 的 應(yīng) 用目前所有關(guān)于石墨烯復(fù)合材料的研究都處于起步階段，機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)并存。石墨烯及氧化石墨烯的成功制備，可以制備透明的電極用于太陽(yáng)能電池，航天器的機(jī)身、分離技

39、術(shù)、催化劑載體、防靜電裝置等；可以用來(lái)制造平板顯示器所必需的柔性超薄電極。另外，石墨烯還可以制作可折疊的有機(jī)發(fā)光二極管顯示器、防靜電的衣料、防彈衣、可以自清潔的玻璃窗。很多研究者預(yù)測(cè)，石墨烯最早的應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)在復(fù)合材料領(lǐng)域。一種可能是在蓄電池中的應(yīng)用。另一方面，最近有研究者使用化學(xué)方法制備了石墨烯復(fù)合膜材料，這種材料在剛性和強(qiáng)度方面都比其他膜材料優(yōu)越。石墨烯還可以用在化學(xué)領(lǐng)域。將石墨烯進(jìn)行化學(xué)改性、摻雜、表面官能化以及合成石墨烯的衍生物，發(fā)展出石墨烯及其相關(guān)材料, 來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的功能和應(yīng)用。1、良好的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)石墨烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，為粒子物理中不易觀(guān)察到的相對(duì)論量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的驗(yàn)證提供了更

40、為方便的手段。例如，對(duì)愛(ài)因斯坦相對(duì)論的驗(yàn)證往往需要昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備或通過(guò)觀(guān)察遙遠(yuǎn)的星系來(lái)完成，而石墨烯的出現(xiàn)使相關(guān)研究變得簡(jiǎn)單方便。再如，一般半導(dǎo)體中電子的能量和動(dòng)量之間具有二次方關(guān)系，但在石墨烯中這一關(guān)系卻是線(xiàn)性的，也就是說(shuō)石墨烯中的電子是標(biāo)準(zhǔn)的狄拉克-費(fèi)米子。這為檢驗(yàn)量子電動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的途徑。2、透明電極工業(yè)上已經(jīng)商業(yè)化的透明薄膜材料是氧化銦錫(ITO) ,由于銦元素在地球上的含量有限 ,價(jià)格昂貴 ,尤其是毒性很大 ,使它的應(yīng)用受到限制。作為炭質(zhì)材料的新星 ,石墨烯由于擁有低維度和在低密度的條件下能形成滲透電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)被認(rèn)為是氧化銦錫的替代材料 ,石墨烯以制備工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)

41、為其商業(yè)化鋪平了道路。Mullen 研究組 通過(guò)浸漬涂布法沉積被熱退火還原的石墨烯 ,薄膜電阻為 900,透光率為 70 %,薄膜被做成了染料太陽(yáng)能電池的正極 ,太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率為 0.26 %. 2009 年 ,該研究組采用乙炔做還原氣和碳源 ,采用高溫還原方法制備了高電導(dǎo)率(1425S/cm)的石墨烯 ,為石墨烯作為導(dǎo)電玻璃的替代材料提供了可能。3、傳感器電化學(xué)生物傳感器技術(shù)結(jié)合了信息技術(shù)和生物技術(shù) ,涉及化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和電子學(xué)等交叉學(xué)科。石墨烯出現(xiàn)以后 ,研究者發(fā)現(xiàn)石墨烯為電子傳輸提供了二維環(huán)境和在邊緣部分快速多相電子轉(zhuǎn)移 ,這使它成為電化學(xué)生物傳感器的理想材料。Chen

42、等采用低溫?zé)嵬嘶鸬姆椒ㄖ苽涞氖┳鳛閭鞲衅鞯碾姌O材料 ,在室溫下可以檢測(cè)到低濃度NO2 ,作者認(rèn)為如果進(jìn)一步提高石墨烯的質(zhì)量 ,則會(huì)提高傳感器對(duì)氣體檢測(cè)的靈敏度。石墨烯在傳感器方面表現(xiàn)出不同于其它材料的潛能 ,使越來(lái)越多的醫(yī)學(xué)家關(guān)注它 ,目前石墨烯還被用于醫(yī)學(xué)上檢測(cè)多巴胺、葡萄糖等。4、超級(jí)電容器超級(jí)電容器是一個(gè)高效儲(chǔ)存和傳遞能量的體系 ,它具有功率密度大 ,容量大 ,使用壽命長(zhǎng) ,經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn) ,被廣泛應(yīng)用于各種電源供應(yīng)場(chǎng)所。石墨烯擁有高的比表面積和高的電導(dǎo)率 ,不像多孔碳材料電極要依賴(lài)孔的分布 ,這使它成為最有潛力的電極材料。Chen 等 以石墨烯為電極材料制備的超級(jí)電容 器 功 率

43、密 度 為 10kW/ kg , 能 量 密 度 為28.5Wh/ kg ,最大比電容為 205F/ g ,而且經(jīng)過(guò) 1200次循環(huán)充放電測(cè)試后還保留 90 %的比電容 ,擁有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。石墨烯在超級(jí)電容器方面的潛在應(yīng)用受到更多的研究者關(guān)注。 5、能源存儲(chǔ)眾所周知 ,材料吸附氫氣量和其比表面積成正比 ,石墨烯擁有質(zhì)量輕、高化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積的優(yōu)點(diǎn),使其成為儲(chǔ)氫材料的最佳候選者。希臘大學(xué) Froudakis等 設(shè)計(jì)了新型 3D 碳材料 ,孔徑尺寸可調(diào) ,他們將其稱(chēng)為石墨烯柱。當(dāng)這種新型碳材料摻雜了鋰原子時(shí) ,石墨烯柱的儲(chǔ)氫量可達(dá)到 6.1 % (wt) 。Ataca等 用鈣原子(Ca)

44、摻雜石墨烯 ,利用第一性原理和從頭算起的方法得到石墨烯被 Ca 原子摻雜后儲(chǔ)氫量約為 8.4 %(wt) ;他們還發(fā)現(xiàn)氫分子的鍵能適合在室溫下吸/放氫 ,Ca 會(huì)留在石墨烯表面 ,有利于循環(huán)使用。Ataca 的研究結(jié)果又一次推動(dòng)石墨烯儲(chǔ)氫向前邁進(jìn)一步。6、復(fù)合材料石墨烯獨(dú)特的物理、化學(xué)和機(jī)械性能為復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)提供了原動(dòng)力 ,可望開(kāi)辟諸多新穎的應(yīng)用領(lǐng)域 ,諸如新型導(dǎo)電高分子材料、多功能聚合物復(fù)合材料和高強(qiáng)度多孔陶瓷材料等。Fan 等 利用石墨烯的高比表面積和高的電子遷移率 ,制備了以石墨烯為支撐材料的聚苯胺石墨烯復(fù)合物 ,該復(fù)合物擁有高的比電容(1046F/ g)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純聚苯胺的比電容115

45、F/ g。石墨烯的加入提高了復(fù)合材料的多功能性和復(fù)合材料的加工性能等 ,為復(fù)合材料提供了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。7、超導(dǎo)材料富勒烯和碳納米管具有很好的超導(dǎo)特性。C60的超導(dǎo)溫度達(dá)到52 K，在此基礎(chǔ)上通過(guò)摻雜，其超導(dǎo)溫度可達(dá)到了102 K。單根碳納米管大約在15 K時(shí)也可以顯示出超導(dǎo)特性。而石墨烯同樣作為sp2雜化的材料，同時(shí)具有很多奇特的電學(xué)性質(zhì)，是不是也會(huì)有這種超導(dǎo)特性呢?石墨烯內(nèi)存在很強(qiáng)的電子聲子耦合，這可以用量子電動(dòng)力學(xué)來(lái)分析。在金屬中出現(xiàn)電子與聲子強(qiáng)烈作用的時(shí)候往往預(yù)示著超導(dǎo)現(xiàn)象的存在，同樣，在石墨烯中，這種現(xiàn)象也可能預(yù)示超導(dǎo)現(xiàn)象的出現(xiàn)。Heersche等人用石墨烯連接兩個(gè)超導(dǎo)電極，通過(guò)柵

46、電極控制電流密度來(lái)研究約瑟夫森效應(yīng)，觀(guān)察到有超電流通過(guò)，而且即使在零電荷密度時(shí)，也同樣有超電流。這說(shuō)明，石墨烯也具有超導(dǎo)性，并且可能比C60材料和碳納米管的超導(dǎo)性能更好，超導(dǎo)溫度更高。8、藥物控制釋放Dai等利用石墨烯與喜樹(shù)堿類(lèi)同系物SN38之間的疏水相互作用及2堆積,制備了NGO2PEG2SN38 復(fù)合物,有很好的水溶性,在體內(nèi)可以緩慢釋放SN38 ,從而實(shí)現(xiàn)藥物的控制釋放。Yang等研究了氧化石墨(GO)對(duì)阿霉素(DXR) 的藥物控制釋放作用。兩者之間通過(guò)2堆積作用,吸附量與DXR 的初始濃度以及pH值有關(guān),隨DXR 初始濃度的增大呈線(xiàn)性增加,中性條件下DXR 濃度為0. 47mgPml時(shí)

47、最大吸附量達(dá)到2. 35mgPmg ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他藥物載體(如碳毫微角(carbon nanohorn) 、聚合物囊泡(polymer vesicles) 等,其最大吸附量均低于1mgPmg) 。9、單電子晶體管石墨烯結(jié)構(gòu)在納米尺度仍能保持穩(wěn)定，甚至只有一個(gè)六元環(huán)存在的情況下仍穩(wěn)定存在，這對(duì)開(kāi)發(fā)分子級(jí)電子器件具有重要的意義。目前科學(xué)家們已經(jīng)利用電子束印刷刻蝕技術(shù)制備出基于石墨烯的最小的印刷線(xiàn)路板和單電子晶體管，這種單電子組件可能突破傳統(tǒng)電子技術(shù)的極限，在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)、內(nèi)存和傳感器等領(lǐng)域有很大應(yīng)用前景，有望為發(fā)展超高速計(jì)算機(jī)芯片帶來(lái)突破，也會(huì)對(duì)醫(yī)藥科技有極大的促進(jìn)作用?？?/p>

48、學(xué)家相信，石墨烯薄膜和碳納米管一起，極有可能加快計(jì)算機(jī)芯片微型化的腳步，大幅提升運(yùn)算速度。未來(lái)的時(shí)代，很有可能是“硅”“碳”并行的時(shí)代。10、減少噪聲美國(guó)IBM宣布，通過(guò)重疊二層相當(dāng)于石墨單原子層的“石墨烯”，試制成功了新型晶體管，同時(shí)發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特有的1/f 噪聲。雖然要解釋此現(xiàn)象還需要進(jìn)一步的研究，但此次的發(fā)現(xiàn)證明二層石墨烯有望應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域。國(guó) 內(nèi) 研 究 現(xiàn) 狀我國(guó)的研究人員也正在石墨烯領(lǐng)域開(kāi)展積極的探索。中科院物理研究所王恩哥等采用剝離-再嵌入-擴(kuò)張的方法成功地制備了高質(zhì)量石墨烯。利用透射電子顯微術(shù)對(duì)石墨烯進(jìn)行表征并進(jìn)行了深入的晶體結(jié)構(gòu)分析。電學(xué)測(cè)量表明，所制備的石墨

49、烯在室溫和低溫下都具有高的電導(dǎo)，比通常用還原氧化石墨的方法獲得的石墨烯的電導(dǎo)高2個(gè)數(shù)量級(jí)。他們通過(guò)LB膜組裝技術(shù)，將懸浮在溶劑里的石墨烯一層一層地移到固體表面，制成大面積的透明導(dǎo)電膜并研究了它們的光學(xué)透過(guò)率與膜厚的關(guān)系。高質(zhì)量石墨烯以及LB膜的制備對(duì)未來(lái)石墨烯的大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所的研究人員探索了一種制備圖案化石墨烯的方法，以圖案化的金屬層作為催化劑制備了圖案化的石墨烯，并成功地將其應(yīng)用于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管電極。研究結(jié)果表明，石墨烯是一種性能優(yōu)異的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管電極材料。低的載流子注入勢(shì)壘和良好的電極半導(dǎo)體接觸是器件具有高性能的主要原因。這一研究進(jìn)展為有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和石墨

50、烯的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。中科院電工所馬衍偉研究員等采用對(duì)苯二胺還原氧化石墨納米片的方法,成功制備出高穩(wěn)定性有機(jī)溶劑分散的石墨烯材料,并采用電泳沉積法獲得了高導(dǎo)電性的石墨烯薄膜。此方法制備的石墨烯分散性能好、產(chǎn)率高、導(dǎo)電性能好且成本低,有望應(yīng)用于超級(jí)電容器和復(fù)合功能材料等領(lǐng)域。中科院蘭州化物所也于今年5月制備出石墨烯薄膜,滿(mǎn)足了實(shí)際應(yīng)用中低能耗、低成本和高產(chǎn)量的要求。中科院系統(tǒng)與數(shù)學(xué)科學(xué)研究院明平兵研究員及合作者劉芳、李巨的計(jì)算結(jié)果表明，預(yù)測(cè)石墨烯的理想強(qiáng)度為110121GPa，這意味著石墨烯是目前人類(lèi)已知的最為牢固的材料。此外，在深圳市有一家名為貝特瑞新能源材料股份有限公司的高新技術(shù)公司，目

51、前已有小規(guī)模產(chǎn)出石墨烯，正在建設(shè)中試生產(chǎn)線(xiàn)，采用的是氟化膨脹石墨法制作石墨烯，預(yù)計(jì)2011年1月可達(dá)月產(chǎn)百公斤。貝特瑞公司是上市公司中國(guó)寶安000009的子公司，中國(guó)寶安占有62。3的股權(quán)。最近，中科院金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料研究部成會(huì)明、任文才帶領(lǐng)研究生在石墨烯的控制制備、結(jié)構(gòu)表征與物性的研究方面取得了一系列新的進(jìn)展，主要包括：（一） 可控制備出高質(zhì)量石墨烯。根據(jù)層數(shù)不同，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化，因此實(shí)現(xiàn)石墨烯層數(shù)的可控制備十分關(guān)鍵。與微機(jī)械剝離和外延生長(zhǎng)方法相比，化學(xué)剝離是一種有望實(shí)現(xiàn)石墨烯低成本宏量制備的有效方法，但所制備的石墨烯大多為單層、雙層和多層石墨烯

52、的混合物?；趯?duì)化學(xué)剝離方法制備石墨烯過(guò)程的分析，他們提出了利用石墨原料的尺寸與結(jié)晶度不同來(lái)控制石墨烯層數(shù)的策略，宏量控制制備出單層、雙層和三層占優(yōu)的高質(zhì)量石墨烯。為了進(jìn)一步提高化學(xué)剝離方法制備的石墨烯的質(zhì)量，他們根據(jù)氫電弧放電反應(yīng)溫度高、可實(shí)現(xiàn)快速加熱及原位還原的特點(diǎn)，采用電弧加熱膨脹解理石墨以去除含氧官能團(tuán)和愈合結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而提高了石墨烯的質(zhì)量。較普通快速加熱方法，采用氫電弧方法制備的石墨烯的抗氧化溫度提高了近100C，導(dǎo)電率提高了近2個(gè)數(shù)量級(jí)，可達(dá)2*103S/cm。（二） 提出了表征石墨烯結(jié)構(gòu)的新方法。石墨烯表征方法的建立是對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速有效表征、控制制備及應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。他們?cè)诜?/p>

53、射率計(jì)算的基礎(chǔ)上，引入色度學(xué)空間概念，提出了快速、準(zhǔn)確、無(wú)損表征石墨烯層數(shù)的總色差方法，解釋了只有在特定基底上石墨烯可見(jiàn)的原因，并利用該方法對(duì)基底和光源進(jìn)行了優(yōu)化，提出并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了更利于石墨烯光學(xué)表征的基底和光源，提高了光學(xué)表征的精度，為石墨烯層數(shù)的快速準(zhǔn)確表征、控制制備及物性研究奠定了基礎(chǔ)。此外，針對(duì)目前石墨烯拉曼光譜信號(hào)弱、難以對(duì)其精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征的難題，他們還發(fā)明了一種增強(qiáng)的拉曼散射技術(shù)，不僅可提高石墨烯拉曼光譜的信號(hào)強(qiáng)度，而且可獲得普通拉曼光譜不能得到的石墨烯的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征。（三） 開(kāi)展了石墨烯的應(yīng)用探索。在石墨烯宏量制備的基礎(chǔ)上，他們開(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

54、明導(dǎo)電膜等方面的應(yīng)用探索。由于具有單原子厚度、優(yōu)異的電學(xué)與力學(xué)特性以及豐富的邊界結(jié)構(gòu)等特征，故石墨烯是一種理想的場(chǎng)發(fā)射材料，但石墨烯宏量制備和組裝技術(shù)的缺乏制約了其在場(chǎng)發(fā)射方面的應(yīng)用。為了充分發(fā)揮石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)，他們發(fā)展了電泳沉積方法制備出表面均勻致密且含有豐富邊界突起的單層石墨烯薄膜，實(shí)現(xiàn)了薄膜與基體間的良好接觸。研究表明，石墨烯薄膜具有與碳納米管薄膜相比擬的場(chǎng)發(fā)射特性：低的開(kāi)啟電場(chǎng)和閾值、良好的場(chǎng)發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性，展示了石墨烯在平板顯示等方面的應(yīng)用前景。他們還結(jié)合石墨烯紙易于制備且具有良好力學(xué)性能的特點(diǎn)，正全力拓展其應(yīng)用空間。更值得關(guān)注的是，2008年12月7日在南開(kāi)大學(xué)舉行的“

55、石墨烯/單層石墨研討會(huì)”，就石墨烯/單層石墨研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向（制備、表征、性質(zhì)及應(yīng)用探索）進(jìn)行了深入探討，使我國(guó)在該領(lǐng)域向更高的學(xué)術(shù)和研究水平邁進(jìn)。展 望自從2004年Geim等人發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在的單層石墨烯結(jié)構(gòu)以來(lái), 關(guān)于石墨烯的研究不斷取得重要進(jìn)展, 其在微電子、量子物理、材料、化學(xué)等領(lǐng)域都表現(xiàn)出許多令人振奮的性能和潛在的應(yīng)用前景。 其中石墨烯的研究和應(yīng)用的關(guān)鍵之一是石墨烯的大規(guī)模、低成本、可控的合成和制備。迄今為止, 利用不同的化學(xué)方法特別是化學(xué)氣相沉積法和溶液化學(xué)法(氧化石墨)規(guī)模制備石墨烯已經(jīng)成為可能, 并且在石墨烯的可控生長(zhǎng)方面也取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。實(shí)現(xiàn)了從納米石墨烯、微米石墨烯、直到厘

56、米石墨烯的有效制備；石墨烯厚度可以從單層、雙層到少數(shù)層的調(diào)變；更為重要的是,外延生長(zhǎng)的石墨烯可以通過(guò)插層等方式來(lái)減弱石墨烯與載體間的電子耦合作用, 使得擔(dān)載石墨烯表現(xiàn)出與非支撐石墨烯相似的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。石墨烯制備化學(xué)的進(jìn)展將會(huì)大大推動(dòng)石墨烯的研究和應(yīng)用。 對(duì)石墨烯表面的官能化更進(jìn)一步擴(kuò)展了石墨烯的性能和應(yīng)用, 石墨烯氧化物、石墨烷、石墨化的 CN化合物等石墨烯的衍生物表現(xiàn)出許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì), 這些材料將會(huì)引起更多的關(guān)注。但是, 石墨烯的化學(xué)修飾、表面改性、衍生化等還期待著更多的突破,這將會(huì)是石墨烯化學(xué)研究的另一個(gè)重要領(lǐng)域。在實(shí)現(xiàn)規(guī)模制備石墨烯和石墨烯的有效官能化基礎(chǔ)上, 我們預(yù)期石墨烯

57、在多相催化中將有著重要的應(yīng)用。利用官能化的石墨烯作為催化劑可能實(shí)現(xiàn)無(wú)金屬催化過(guò)程, 這為解決多相催化中減少并替代貴金屬催化劑這一難題提供了一條有效途徑。此外,石墨烯擔(dān)載的多相催化體系也有望表現(xiàn)出一些獨(dú)特性能?？傊? 近5年來(lái)石墨烯的物理研究熱潮正在世界范圍內(nèi)展開(kāi), 關(guān)于石墨烯化學(xué)研究剛剛開(kāi)始。但近3年來(lái)石墨烯的化學(xué)研究也取得長(zhǎng)足的進(jìn)展, 可以預(yù)期化學(xué)家的參與將會(huì)把石墨烯的研究推向更寬廣的領(lǐng)域。參 考 文 獻(xiàn)1 張偉娜，何偉，張新荔石墨烯的制備方法及其應(yīng)用特性西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院化學(xué)工程系，20102 史永勝，李雪紅，寧青菊石墨烯的制備及研究現(xiàn)狀陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，2010：陜西 西安 7100213 黃桂榮，陳建化學(xué)分散法制備石墨烯及結(jié)構(gòu)表征四川理工學(xué)院，2009：四川自貢 6430004 代波，邵曉萍，馬擁軍，裴重華新型碳材料石墨烯的研究進(jìn)展西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2010：綿陽(yáng) 6210105 傅強(qiáng), 包信和石墨烯的化學(xué)研究進(jìn)展 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所, 催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2009：大連 1160236 蘇育志，劉成波，張瑞芬氧化石墨的合成及其結(jié)構(gòu)研究【J