新型材料石墨烯的初探

摘 要：石墨烯的發現不僅打破了二維晶體無法真實存在的理論預言，更為重要的是石墨烯的出現帶來了眾多出乎人們意料的新奇特性，使它成為一個里程碑式的新材料。

關鍵詞：石墨烯；特性；結構；應用

1.石墨烯

目前在科學界最熱門的材料就是石墨烯。石墨烯與石墨有緊密的聯系。石墨是一類層狀的材料，它是由一層又一層的二維平面碳原子網絡有序堆疊而形成的。由于層間的作用力較弱，因此石墨層間很容易互相剝離，形成薄的石墨片。這樣的剝離存在一個最小的極限，那就是單層的剝離，即形成厚度只有一個碳原子的單層石墨，這就是石墨烯。長久以來，科學家們一直認為這種純粹的二維晶體材料是無法穩定存在的。直到2004年，英國曼徹斯特大學的科研人員憑借極大的耐心與一點點運氣終于首次發現了石墨烯。他們通過透明膠帶對石墨進行反復的粘貼與撕開使得石墨片的厚度逐漸減小，最終通過顯微鏡在大量的薄片中尋找到了理論厚度只有0.34納米的石墨烯。

2.石墨烯的結構

石墨烯是由碳原子六角結構（蜂窩狀）緊密排列的二維單層石墨層。同時，石墨烯還可以包成零維富勒烯，卷成一維碳納米管，疊成三維石墨，它是眾多碳質材料的基元，如果對石墨烯有更深入的了解，就有可能依照人們的意愿定向制備某種需要的碳質材料。石墨烯層并不是完全平整的，它具有物質微觀狀態下固有的粗糙性，表面會出現起伏如波浪一般。這種褶皺會自發地產生并且最大起伏度可達到0.8nm，也有一種觀點認為褶皺是由于襯底與石墨烯相互作用導致的，具體原因還在進一步研究之中。

3.石墨烯的特性

石墨烯為復式六角晶格，每個元胞中有兩個碳原子，每個原子與最近鄰的三個原子間形成三個a鍵。由于每個碳原子有四個價電子，所以每個碳原子又會貢獻出一個剩余的P電子，它垂直于石墨烯平面，與周圍原子形成未成鍵的耳電子。這些C電子在晶體中自由移動賦予了石墨烯良好的導電性。從這個意義上說，石墨烯是一種沒有能隙的材料，顯示金屬性。石墨烯在雙極性電場效應中有突出的性質，電荷載體可以在摻雜濃度n值高達10cm的條件下在電荷與空穴之間轉換，并且它們的遷移率在室溫下可以超過15000 cm/Vs。遷移率與溫度有關系，在300K條件下 仍被雜質散射所限制，因此 應該還能夠有顯著的提高，甚至高到約100000 cm/Vs。雖然有些半導體材料的室溫值可以達到77000cm/Vs，但這些值都取自體材料本征半導體。

4.石墨烯的應用

4.1鋰離子電池中的應用

石墨烯作為電池電極材料以提高電池效有著誘人的應用前景。單層或者多層石墨烯在鋰離子電池里的應用潛力引起了各國學者的極大關注?？蒲腥藛T對應用于鋰離子二次電池負極材料中石器烯的性能進行了研究，發現其比容量可以達到540 mAh/g。如果在其中摻入C6o和碳納米管后，負極的比容量分別可達784mAh/g和730 mAh/g。Khan—tha等人通過理論計算討論了石墨烯的儲鋰機理。

4.2 計算機芯片材料中的應用

馬里蘭大學物理學家的研究表明，未來的計算機芯片材料中石墨烯可能取代硅。石墨烯具有遠高于硅的載流子遷移率，并且從理論上說，它的電子遷移率和空穴遷移率兩者相等.因此其n型場效應晶體管和P型場效應晶體管是對稱的。因為其還具有零禁帶特性，即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長度也可為微米級，所以它是一種性能非常優異的半導體材料。專家指出硅基芯片在室溫條件下的速度是有限的，很難再大幅提高；而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力，所產生的熱量也非常少，且石墨烯本身就是一個良好的導熱體，可以很快地散發熱量，由石墨烯制造的集成電路運行的速度將要快得多。據估計用石墨烯器件制成的計算機的運行速度可達到1T（105z）Hz，即比現在常見的1G（100）的計算機快1000倍.

4.3 減少納米元件噪聲領域的應用

普通的納米元件隨著尺寸越來越小，電噪聲會變得越來越大，這種關系被稱為“豪格規則”。因此，如何減小噪聲成為實現納米元件的關鍵問題之一。美國ⅢM公司宣布，通過一層疊加在另一層上面的雙層石墨烯來構建晶體管時，發現可大幅降低納米元件特有的噪聲。雖然這離其商品化生產還甚遙遠，還有不少難題要克服，但降低噪聲是石墨烯晶體管研制過程中邁出的重要一步。

4.4 其他方面的應用

石墨烯有著優異的氫氣吸附特性，可應用于儲氫材料領域。Dimitrakakis就利用石墨烯和碳納米管設計了一個三維儲氫模型，將這種材料摻入鋰離子，它在常壓下儲氫能力可達到41g/L。由于具有遠比硅高的載流子遷移率，石墨烯在納電子器件方面具有突出的優勢，可能的應用包括：電子管，進一步減小器件開關時間，2\"I-Iz超高頻率的操作響應特性；探索單電子器件，可在同一片石墨烯上集成整個電路，避免了在一維材料基器件中難以實現的集成問題。此外，由于具有單原子厚度、優異的電學與力學特性以及豐富的邊界結構等特征，石墨烯還是一種理想的場發射材料。

5.結語

隨著研究的不斷深入，石墨烯的優異性能和潛在價值被逐步發掘出來，而其在復合材料、納米器件、儲氫材料，量子計算機以及超靈敏傳感器等領域也受到了越來越多的關注。當前石墨烯材料的研究還主要集中在基礎研究方面，如何大規模制備石墨烯并限制其生長區域從而實現石墨烯的圖案化生長將是未來的一個研究重點。