石墨烯簡介

石墨烯簡介

（網絡摘抄）

概述

2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯(Graphene)，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的隻有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強度最高的材料，如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一隻一千克的貓。

石墨烯目前最有潛力的應用是成為矽的替代品，制造超微型晶體管，用來生産未來的超級計算機。用石墨烯取代矽，計算機處理器的運行速度将會快數百倍。

另外，石墨烯幾乎是完全透明的，隻吸收2.3%的光。另一方面，它非常緻密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。這些特征使得它非常适合作為透明電子産品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發光闆和太陽能電池闆。

作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為"黑金"，是"新材料之王"，科學家甚至預言石墨烯将"徹底改變21世紀"。極有可能掀起一場席卷全球的颠覆性新技術新産業革命。

石墨烯基本特性

電子運輸

在發現石墨烯以前，大多數（如果不是所有的話）物理學家認為石墨烯，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态物理界。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，但是單層石墨烯在實驗中被制備出來。這些可能歸結于石墨烯在納米級别上的微觀扭曲。

石墨烯還表現出了異常的整數量子霍爾行為。其霍爾電導=2e2/h,6e2/h,10e2/h.... 為量子電導的奇數倍，且可以在室溫下觀測到。這個行為已被科學家解釋為“電子在石墨烯裡遵守相對論量子力學，沒有靜質量”。

導電性

石墨烯結構非常穩定，迄今為止，研究者仍未發現石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來适應外力，也就保持了結構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯中電子受到的幹擾也非常小。

石墨烯最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準确地，應稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質和相對論性的中微子非常相似。

石墨烯有相當的不透明度：可以吸收大約2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對論性的體現。

導熱性

石墨烯具有極高導熱系數, 近年來被提倡用于散熱等方面, 在散熱片中嵌入石墨烯或數層石墨烯可使得其局部熱點溫度大幅下降。美國加州大學一項研究顯示 , 石墨烯的導熱性能優于碳納米管。中國科學院山西煤炭化學研究所高導熱石墨烯/炭纖維柔性複合薄膜，其厚度在10~200 μm之間可控，室溫面向熱導率高達977 W/m·K，拉伸強度超過15 MPa[1]。普通碳納米管的導熱系數可達3000W/mK以上, 各種金屬中導熱系數相對較高的有銀、銅、金、鋁, 而單層石墨烯的導熱系數可達5300W/mK, 甚至有研究表明其導熱系數高達6600W/mK。優異的導熱性能使得石墨烯有望作為未來超大規模納米集成電路的散熱材料 。與純石墨烯相比, 還原剝離氧化石墨得到熱導率相對較低(0.14 ～ 2.87 W/mK)的石墨烯(RGOx)。其導熱系數與氧化石墨被氧化程度密切相關, 原因是RGOx薄片即使經過熱還原處理後仍然具有氧化性。導熱率可能與其中殘餘的化學官能團、破壞的碳六元環等缺陷有關化學結構被氧化導緻晶格缺陷的産生, 阻止了熱傳導作用。

機械特性

石墨烯是人類已知強度最高的物質，比鑽石還堅硬，強度比石墨烯世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學的物理學家對石墨烯的機械特性進行了全面的研究。在試驗過程中，他們選取了一些直徑在10—20微米的石墨烯微粒作為研究對象。研究人員先是将這些石墨烯樣品放在了一個表面被鑽有小孔的晶體薄闆上，這些孔的直徑在1—1.5微米之間。之後，他們用金剛石制成的探針對這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測試它們的承受能力。

研究人員發現，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2.9微牛。據科學家們測算，這一結果相當于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長的石墨烯斷裂。如果物理學家們能制取出厚度相當于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯，那麼需要施加差不多兩萬牛的壓力才能将其扯斷。換句話說，如果用石墨烯制成包裝袋，那麼它将能承受大約兩噸重的物品。

電子的相互作用

石墨烯電子能帶結構利用世界上最強大的人造輻射源，美國加州大學、哥倫比亞大學和勞倫斯·伯克利國家實驗室的物理學家發現了石墨烯特性新秘密：石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀栅格間均存在着強烈的相互作用。

科學家借助了美國勞倫斯伯克利國家實驗室的“先進光源（ALS）”電子同步加速器#。這個加速器産生的光輻射亮度相當于醫學上X射線強度的1億倍。科學家利用這一強光源觀測發現，石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強烈，而且電子和電子之間也有很強的相互作用。

化學性質

我們至今關于石墨烯化學知道的是：類似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子。從表面化學的角度來看，石墨烯的性質類似于石墨，可利用石墨來推測石墨烯的性質。石墨烯化學可能有許多潛在的應用，然而要石墨烯的化學性質得到廣泛關注有一個不得不克服的障礙：缺乏适用于傳統化學方法的樣品。這一點未得到解決，研究石墨烯化學将面臨重重困難。

石墨烯的主要應用

石墨烯對物理學基礎研究有着特殊意義，它使一些此前隻能紙上談兵的量子效應可以通過實驗來驗證，例如電子無視障礙、實現幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多“極端”性質的物理性質。

因為隻有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，石墨烯也有着全新的電學屬性。石墨烯是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。

在塑料裡摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強韌新型材料，用于制造汽車、飛機和衛星。

随着批量化生産以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的産業化應用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實現商業化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。

消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設備顯示屏的發展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。有數據顯示2013年全球對手機觸摸屏的需求量大概在9.65億片。到2015年，平闆電腦對大尺寸觸摸屏的需求也将達到2.3億片，為石墨烯的應用提供了廣闊的市場。韓國三星公司的研究人員也已制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，相信大規模商用指日可待。

另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。之前美國麻省理工學院已成功研制出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池闆，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池産業的發展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業的應用鋪就了道路。

由于高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領域的應用優勢也是極為突出的。前不久美國NASA開發出應用于航天領域的石墨烯傳感器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性缺陷等進行檢測。而石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應用上也将發揮更重要的作用。

石墨烯的研究成果

最小最快石墨烯晶體管

2011年4月7日IBM向媒體展示了其最快的石墨烯晶體IBM展示最小最快石墨烯晶體管管，該産品每秒能執行1550億個循環操作，比之前的試驗用晶體管快50%。

該晶體管的截止頻率為155GHz，使得其速度更快的同時，也比IBM去年2月展出的100GHz石墨烯晶體管具備了更多的能力。

IBM研究人員林育名表示，石墨烯晶體管成本較低，可以在标準半導體生産過程中表現出優良的性能，為石墨烯芯片的商業化生産提供了方向，從而用于無線通信、網絡、雷達和影像等多個領域。

全球最小光學調制器

可高速傳輸信号 一秒鐘内下載一部高清電影指日可待

美國華裔科學家使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調制器，科學家表示，這個隻有頭發絲四百分之一細的光學調制器具備的高速信号傳輸能力，有望将互聯網速度提高一萬倍，一秒鐘内下載一部高清電影指日可待。這項研究是由加州大學伯克利分校勞倫斯國家實驗室的張翔教授、王楓助理教授以及博士後劉明等組成的研究團隊共同完成的，研究論文于2011年6月2日在英國《自然》雜志上發表。這項研究的突破點就在于，用石墨烯這種世界上最薄卻最堅硬的納米材料，做成一個高速、對熱不敏感，寬帶、廉價和小尺寸的調制器，從而解決了業界長期未能解決的問題。

低成本石墨烯電池

或将實現“一分鐘充電”

美國俄亥俄州Nanotek儀器公司的研究人員利用锂離子可在石墨烯锂離子電池 石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出一種新型儲能設備，可以将充電時間從過去的數小時之久縮短到不到一分鐘。該研究發表在近期出版的《納米快報》上。

石墨烯手機

2015年03月02日，全球首批3萬部石墨烯手機在渝發布，該款手機采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導熱膜，可接受官方預定，16G售價2499元。其核心技術由中國科學院重慶綠色智能技術研究院和中國科學院甯波材料技術與工程研究所開發。

可呼吸二氧化碳電池

2015年5月，南開大學化學學院周震教授課題組發現一種可呼吸二氧化碳電池。這種電池以石墨烯用作锂二氧化碳電池的空氣電極，以金屬锂作負極，吸收空氣中的二氧化碳釋放能量。

特殊石墨烯材料

2015年6月，南開大學化學學院陳永勝教授和物理學院田建國教授的聯合科研團隊通過3年的研究，獲得了一種特殊的石墨烯材料。該材料可在包括太陽光在内的各種光源照射下驅動飛行，其獲得的驅動力是傳統光壓的千倍以上。該研究成果令“光動”飛行成為可能。

超級材料

2015年9月，中國科學院上海矽酸鹽研究所的研究人員稱，利用細小的石墨烯管狀石墨烯構成了一個擁有與鑽石同等穩定性的蜂窩狀結構，創造出了一種泡沫狀材料。這種材料的強度比同重量的鋼材要大207倍，而且能夠以極高的效率導熱和導電。

刊登在《高級材料》周刊的研究報告稱，這種新材料能夠支撐起相當于其自身重量40萬倍的物體而不發生彎曲。這種新材料的特性意味着其可以用在防彈衣的内部和坦克的表面作為緩沖墊，以吸收來自射彈(如子彈、炮彈、火箭彈等)的沖擊力。

10分鐘充滿手機

2016年7月，中國電信在廣州舉辦的2016天翼智能終端交易博覽會上，羅馬仕展出了一款石墨烯充電寶，10分鐘可充滿6000mAh，号稱要“開辟能源存儲新紀元”。

石墨烯指數

2015年5月18日，國家金融信息中心指數研究院在江蘇省常州市發布了全球首個石墨烯指數。指數評價結果顯示，全球石墨烯産業綜合發展實力排名前三位的國家分别是美國、日本和中國。