石墨烯的應用研究進展

摘要：石墨烯是一種由碳原子以sp 2雜化方式組成的二維六角蜂窩狀點陣結構，是構成富勒烯、碳納米管、三維石墨的基本單元。它具有良好的導熱性、高機械強度、高透射系數以及較高的載流子遷移率和超大的比表面積等特點。近年來已成為國內外研究的熱點，本文綜述了石墨烯在觸摸面板、太陽能電池、晶體管、能量存儲、晶體管、生物傳感器、抗癌藥物載體等各方面的國內外的研究現狀和進展，最后展望了石墨烯未來的發展前景。

文獻標識碼：A

文章編號：1671-864X（2015）03-0048-01

引言

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子以sp 2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料 [1]。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯以其獨特的結構引起了國內外科學家的廣泛關注和極大的興趣，石墨烯的原子結構致使其具有奇異的物理化學性質。研究發現石墨烯主要具有以下特點 [2-6]：(1)零帶隙半導體；(2)無質量的Dirac費米子體系；(3)高載流子濃度，高遷移率；(4)微米尺度的相干長度；(5)二維電子氣(QHE)等特點。二維的石墨烯是所有其它維數的石墨材料的基本構成單元，以石墨烯為基本單元，可以使其變成球狀的成零維納米分子材料C 60，也可以彎曲變成一維結構的單壁碳納米管材料 [7]，亦可層層堆摞形成三維的石墨。石墨烯是為一種零帶隙的半導體，其載流子遷移率約為晶體硅的100倍，在室溫下大的相干長度和微米量級的自由程，使得石墨烯成為納米電路的理想材料。基于石墨烯良好的導熱性、高機械強度、高透射系數以及較高的載流子遷移率和超大的比表面積等，石墨烯在電子器件、氣體傳感器、信息存儲、儲氫材料和高性能材料等領域具有廣闊的應用前景 [8,9]。此外，石墨烯還在生物醫學方面具有潛在應用，可以作為抗癌藥物的載體等 [10]。本文主要介紹了石墨烯在觸摸面板、太陽能電池、晶體管、儲氫物質、藥物載體等各方面的實際應用和國內外的研究進展，最后對石墨烯未來的發展進行了展望。

一、觸摸面板

由于銦錫氧化物具有較好的透明性和導電性，所以被廣泛應用在顯示行業領域。然而金屬銦屬于稀有金屬，在地球的儲量甚少，加之隨著現代電子設備需求量的激增而導致的全球電子設備觸摸屏總面積的持續增加，不久的未來的銦金屬將會被消耗殆盡，所以急需尋找一種材料來代替氧化銦錫。2012年，韓國三星電子公司的研發人員采用卷對卷的方式把制備于銅箔上的石墨烯片轉印到大型樹脂片上，成功制備出了石墨烯觸摸面板 [11]。因為石墨烯的特性決定了它是一種透明的、良好的半金屬導體，非常適合用來制造透明觸摸屏、光電子板等電子產品，克服了稀有金屬資源有限的制約。

二、太陽能電池

由于石油、煤炭等不可再生能源日趨枯竭，尋找新的可再生能源是解決能源枯竭問題的唯一途徑。于是太陽能電池應運而生，但是技術成熟、效率較高的硅太陽能電池的生產成本、制作工藝和環境問題限制了其自身的發展。作為太陽能電池的關鍵部件――窗口電極必須具有優良的導電性、透光性和合適的功函數。目前銦錫氧化物半導體透明薄膜（ITO）常常用來當作窗口電極材料，但是銦在地球上的資源有限，同時ITO在近紅外區域的較差透光性和在酸性條件下不穩定的特性決定了ITO不適合用在柔性器件的生產中。Arco等人以石墨烯作為有機太陽能電池的透明電極，測得其效率為1.18%，非常接近ITO 的1.21%的轉化效率 [12]。隨著人們對石墨烯的更進一步的研究，以石墨烯為透明電極設計出的太陽能電池的性能已越來越卓越，同時用石墨烯可以制造出柔性太陽能電池，這說明石墨烯在太陽能電池領域開啟了一扇大門。

三、場效應晶體管

石墨烯是一種零帶隙的半導體，故不能直接在場效應晶體管。當石墨烯的禁帶帶隙變窄（小于10nm）時，它就會成為準一維材料，這該種材料亦稱為石墨烯納米帶；因處于室溫條件下的石墨烯納米帶由于寬度局域效應會出現帶隙，所以用其制造的場效應晶體管的開關速度比可以達到10 7，其載流子遷移率也遠超其他。在石墨烯剛被發現時，Novoselov等人用只有幾納米寬度的石墨烯制作出了場效應晶體管，在實驗中發現石墨烯表現出雙極性電場效應，其空穴和電子密度在室溫下大致相同，均是5×10 12cm -2，載流子遷移率則高達10000cm 2/V﹒s。因石墨烯的載流子遷移率比硅高出了整整9倍，故石墨烯晶體管擁有的高載流子遷移率使得其頻率非常高。隨著生產石墨烯工藝的提升，石墨烯作為硅材料替代者擁有的前景，越來越被人們所期待。

四、結語

隨著對石墨烯研究的不斷深入，石墨烯在各領域的應用到了廣泛的關注。制備大塊高質量石墨烯才能進一步促進石墨烯的應用，因此改進現有制備工藝的水平，實現石墨烯的低成本、大規模的生產成為給當前迫切需要解決的科研問題。從半導體發展來看，未來的晶體管將會由純凈的、高導電性的石墨烯晶體和經過化學改性的具有半導體性能的石墨衍生物組成。此外，目前對石墨烯的性能應用研究主要集中在電子器件方面，如包括在氣體分子傳感器、生物傳感器、場效應管以及超級電容器、太陽能電池等其它電化學領域中的應用。基于石墨烯優異的機械性能可制備高強度材料，而較高的導熱性可以解決大功率集成電路的散熱問題。同時石墨烯在生物制藥以及醫學領域的發展還有很大空間，如抗癌藥物載體，微型機器人修復病變器官等都具有很大用途。綜上所述，關于石墨烯的制備及其應用，還有大量的相關研究需要科研工作者的分析研究。