石墨烯何以結緣諾貝爾獎

2010年10月5日，英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈#8226;海姆(Andre Geim)教授和康斯坦丁#8226;諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)教授因從事石墨烯的研究并揭示了其性質而獲得2010年諾貝爾物理學獎。這一消息讓6年前就已經面世的石墨烯再次成為熱門話題:什么是石墨烯?它和石墨有什么關系?它有何神奇之處?

神奇的石墨烯

我們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。

第一片石墨烯材料于2004年由任職于英國曼徹斯特大學的安德烈#8226;海姆教授和他的博士后助手康斯坦丁#8226;諾沃肖洛夫研制出來。他們將石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，然后用塑料膠帶粘住薄片的兩側面，撕開膠帶。通過反復的粘貼與撕開，獲得了越來越薄的薄石墨片，直至最終成為單原子層的石墨烯。

石墨烯是由碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質，結構非常穩定。其完美的晶格結構，常被誤認為很僵硬，但事實并非如此。石墨烯各個碳原子間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形。這樣，碳原子就不需要重新排列來適應外力，這也就保證了石墨烯結構的穩定，使得石墨烯比金剛石還堅硬，同時可以像拉橡膠一樣進行拉伸。這種穩定的晶格結構還使石墨烯具有優秀的導電性。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。由于其原子間作用力非常強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。

石墨烯被證實是世界上已經發現的最薄、最堅硬的物質。其厚度只有0.335納米， 把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發絲那么厚。單層石墨烯幾乎透明，其分子排列緊密， 即使原子尺寸最小的氦也不能通過

石墨烯的另一特性是，其導電電子不僅能在晶格中無障礙地移動，而且速度極快，遠遠超過了電子在金屬導體或半導體中的移動速度。還有，其導熱性超過現有一切已知物質。石墨烯的上述特性非常有利于超薄柔性OLED顯示器的開發。據了解，韓國三星公司的研究人員已經制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。

近年來，以石墨烯為代表的新型電子材料研究獲得一系列進展。研究表明，石墨烯薄膜具有與碳納米管薄膜相比擬的場發射特性，在半導體器件和平板顯示等方面具有非常廣泛的應用前景;由于其獨特的二維結構和優異的晶體學質量，為量子電動力學現象的研究提供了理想的平臺，具有重要的理論研究價值。

此外，石墨烯與塑料復合后，可使其成為導體并提高其機械性能和耐熱性。石墨烯與塑料復合制成的新材料，輕巧而堅固，可應用于新一代人造衛星、飛機及汽車等交通工具。

中國科學院物理所北京凝聚態物理國家實驗室張廣宇教授也指出，石墨烯具有優異的電學、熱學和力學性能，可望在高性能納米電子器件、復合材料、氣體傳感器及能量存儲等領域獲得廣泛應用。

目前，石墨烯已成為材料科學和凝聚態物理領域的研究熱點之一;石墨烯的電子遷移率較高，能把電極做得更薄、更透明，良好的導電性及其對光的高透過性使其在液晶顯示以及太陽能電池等領域獨具優勢;還有，石墨烯在高靈敏度傳感器和高性能儲能器件上可一展身手。近年來，各國科技工作者在石墨烯材料性能、石墨烯器件和材料批量制備上取得了許多新進展。作為新型的電子材料，在石墨烯的研究和開發中，我國科學家也占有一席之地。

多年探索終獲

諾貝爾獎

安德烈#8226;海姆和康斯坦丁#8226;諾沃肖洛夫很早就開始從事石墨烯及相關器件的研究，其中重要成果除了率先制備出石墨烯材料之外，還研制出了世界最小的晶體管和具有絕緣性的石墨烷。

2008年4月，兩人率領的英國科學家研制出的世界最小晶體管， 其僅1個原子厚10個原子寬，所采用的材料是由單原子層構成的石墨烯。他們采用標準的晶體管工藝，首先在單層石墨膜上用電子束刻出溝道。然后在所余下的被稱為“島”的中心部分封入電子，形成量子點。石墨烯晶體管柵極部分的結構為10多納米的量子點夾著幾納米的絕緣介質。施加電壓后，這種量子點會改變導電性，這樣一來，量子點如同于標準的場效應晶體管一樣，可記憶晶體管的邏輯狀態。

除了已開發出了10納米級的可實際運行的石墨烯晶體管外，安德烈#8226;海姆和康斯坦丁#8226;諾沃肖洛夫的團隊還研制出長寬均為1個分子的更小的石墨烯晶體管。該石墨烯晶體管實際上是由單原子組成的晶體管。

2009年，安德烈#8226;海姆和康斯坦丁#8226;諾沃肖洛夫又在石墨烯基礎上開發出一種具有突破性的新材料——石墨烷。他們用純凈的石墨烯和氫研制出了一種具有絕緣性能的二維晶體石墨烯衍生物——石墨烷。 他們在不破壞石墨烯獨特的六角形晶格結構和單原子厚度的情況下，在每個碳原子上都增加了一個氫原子，從而制備出具有新特性的石墨烷材料。該實驗證明了可以通過化學方法改變石墨烯的性能，這為制備其他基于石墨烯的化學衍生物提供了實用性方法。

安德烈#8226;海姆和康斯坦丁#8226;諾沃肖洛夫的這些開創性研究為石墨烯的廣泛發展和應用開拓了道路，帶動了一批大公司加入到石墨烯的研究陣營，其中，IBM做了很多開創性的工作。

2008年IBM沃森研究中心的科學家在世界上率先制成了低噪聲石墨烯晶體管。普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱做1/f的噪音會越來越明顯，使器件信噪比惡化。這種現象就是“豪格規則(Hooge's law)”，石墨烯、碳納米管以及硅材料都會產生該現象。IBM通過重疊雙層石墨烯，成功試制出了石墨烯晶體管。由于雙層石墨烯之間生成了強電子結合，從而控制了1/f噪音。隨后的2009年，在美國國防部高級研究計劃署(DARPA)資助下，IBM沃森研究中心還開發出高速石墨烯場效應晶體管。該石墨烯場效應晶體管的在柵極長度150納米時，截止頻率達到了26GHz。

IBM還率先確立了石墨烯場效應晶體管柵極長度與工作頻率之間的關系。 IBM采用絕緣體上硅作為襯底，在其上制作石墨烯晶體管群。IBM利用雙層石墨烯，解決了把細帶狀石墨烯作為溝道時所產生的噪聲問題。在此基礎上開發出基于高性能石墨烯晶體管的射頻通信電路。

今年年初，IBM又宣布通過改進柵極的絕緣層等措施，開發出了截止頻率高達100GHz的石墨烯場效應晶體管。上述石墨烯器件能用于需要高速工作的通信技術和成像技術，比如用來探測隱藏的武器。

除了IBM外，一些大學和研究機構也做出了大量探索性的工作。2010年5月美國萊斯大學和以色列理工學院使用化學溶液大批量制造出高純度石墨烯的方法。研究人員將石墨溶解于一種名為氯磺酸的超強酸中，石墨中單個的石墨烯薄層在溶液中自然剝落開來。每升酸溶液中可溶解兩克石墨烯，使用這種高濃度的、含有石墨烯的溶液科學家們制造出了透明的薄膜。該導電薄膜制成的觸摸屏成本要低于目前智能手機上使用的觸摸屏。此外，研究人員還利用該方法制造出了液晶。

石墨烯薄膜的制備

石墨烯的研究基礎是基于其成功制備，這也是石墨烯的研究重點。制備方法有幾種:機械剝離天然石墨、SiC襯底上外延、化學氣相積淀、化學氧化還原和化學剝離等。基于機械剝離方法制備樣品，效率低，成本高，其晶體尺寸通常在幾個微米以下，不能用于石墨烯樣品的大量制作。SiC襯底上外延效率較高，但樣品存在大量的缺陷。化學氧化還原利于批量生產，但易于混入雜質。

2009年1月韓國成均館大學和三星先進技術研究院的研究人員開發出一種制備大尺寸石墨烯薄膜的方法。這種石墨烯薄膜不僅具備高硬度和高拉伸強度，其電學特性也是現有材料中最好的。其單原子層厚的碳薄片，可以用來制造平板顯示器所必需的柔性、超薄電極和晶體管。另外，石墨烯還可以制作可折疊的有機發光二極管(OLED)顯示器和有機太陽能電池。

2009年，美國萊斯大學的化學家詹姆斯#8226;賽領導的研究小組和斯坦福大學化學系教授戴洪杰領導的研究小組分別成功地使用圓柱狀的碳納米管制造出了幾十納米寬的石墨烯帶。這些石墨烯帶的應用范圍涵蓋太陽能電池、計算機等。

此前，研究人員使用化學藥品或超聲波將石墨烯切成帶狀，但該方法無法用來大規模制造石墨烯帶，也無法控制其寬度。戴洪杰研究小組使用從半導體工業借鑒過來的蝕刻技術切開納米管。他們將碳納米管粘附到一個聚合物薄膜上，然后使用經過電離的氬氣來刻蝕每個納米管的每一個條帶，得到的石墨烯帶的寬度僅為10納米至20納米。

人們還通過將氧化石墨烯進行還原反應來制備石墨烯。這樣得到的石墨烯薄片是二維的蜂窩狀結構，其中雖大多數是碳原子，但也交織著氧原子和氫原子，這大大降低了石墨烯薄片的純度。美國研究人員開發出了通過添加氫原子，從而進一步還原氧化石墨烯的方法。

我國科學家也參與到這項研究中，2010年5月中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室的研究人員采用液相化學氧化還原法制備出石墨烯，并利用設備簡單、成本低廉的電泳沉積技術制備石墨烯薄膜。在此基礎上，研究人員還利用設備簡單、成本低廉的液相電化學沉積技術制備出非晶碳納米顆粒——石墨烯復合薄膜，初步研究結果表明非晶碳納米顆粒的介入在不犧牲石墨烯薄膜高導電性的前提下極大地改善了膜基結合強度。

特別值得一提的是，2010年6月韓國成均館大學、韓國三星公司和日本名城大學分別研制出了30英寸大面積石墨烯片的制作方法。韓國研究人員在一個63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，采用化學氣相淀積的方法，制造出了電視機屏幕面積的純石墨烯片。這是迄今為止面積最大的石墨烯片。他們已經用該石墨烯片制出了一塊柔性觸摸屏。

其他重點研究領域

石墨烯的研究有可能給信息技術領域帶來變革。石墨烯被認為可以作為替代傳統半導體材料的新材料，有望開啟半導體新紀元。石墨烯在信息領域的另一個應用是成為信息載體。因為石墨烯是具有自旋量子效應的特殊材料，與高溫超導體、磁性材料相比，更容易獲得和使用。

在所有石墨烯的相關研究中，以硅為襯底的石墨烯是用石墨烯制作可實用的半導體器件的主要發展方向。其中一個重要原因是比較利于使用常規光學顯微鏡觀察到制作成果。

目前新的發展方向是將石墨烯用于三維器件和22納米工藝的開發。石墨烯的最大電流密度高達108A/cm2，是銅的1000倍。其可用于無法使用銅通孔的大規模集成電路布線工藝，作為連接多層布線各層的通孔材料。此外，也可以將石墨烯應用于22納米大規模集成電路的橫向布線

還有，物聯網將廣泛使用傳感器。因為石墨烯能提高傳感器的靈敏度，這有助于物聯網基礎器件的開發。

鏈接

部分石墨烯研究成果

2009年12月1日在美國召開的材料科學國際會議上，日本富士通研究所宣布，他們用石墨烯制作出了幾千個晶體管。富士通研究所的研究人員將原料氣體吹向事先涂有用做催化劑的鐵的襯底，在這種襯底上制成大面積石墨烯薄膜。

大面積的石墨烯制備一直是個難題。富士通用上述方法制成了高質量的7.5厘米直徑的石墨烯膜。在此基礎上，再配置電極和絕緣層，制成了石墨烯晶體管。由于石墨烯面積較大，富士通在上面制成了幾千個晶體管。石墨烯晶體管比硅晶體管功耗低和運行速度快，可制作出性能優良的半導體器件。如果改進技術后有望進一步擴大石墨烯面積，這樣能夠制作出更多的晶體管和石墨烯集成電路，為生產高檔電子產品創造了條件。

2009年11月日本東北大學與會津大學通過合作研究發現，石墨烯可產生太赫茲光的電磁波。研究人員在硅襯底上制作了石墨烯薄膜，將紅外線照射到石墨烯薄膜上，只需很短時間就能放射出太赫茲光。如果今后能夠繼續改進技術，使光源強度進一步增大，將開發出高性能的激光器。

研究團隊在硅襯底上使用有機氣體制作一層碳硅化合物。然后，進行熱處理，使其生長出石墨烯的薄膜。該石墨烯薄膜只需極短暫的時間照射紅外線，就能從石墨烯上發送出太赫茲光。目前，該團隊正致力于開發能將光粒封閉在內部，使光源強度增加的器件，期望能夠開發出在接近室溫條件下可工作的太赫茲激光器。

2010年，美國萊斯大學利用該石墨烯量子點，制作單分子傳感器。萊斯大學將石墨烯薄片與單層氦鍵合，形成石墨烷。石墨烷是絕緣體。氦使石墨烯由導體變換成為絕緣體。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、微小的導電的石墨烯阱。該導電的石墨烯阱就可作為量子阱。量子點的半導體特性要優于體硅材料器件。這一技術可用來制作化學傳感器、太陽能電池、醫療成像裝置或是納米級電路等。