石墨烯的應(yīng)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(jié)構(gòu)，是構(gòu)成富勒烯、碳納米管、三維石墨的基本單元。它具有良好的導(dǎo)熱性、高機械強度、高透射系數(shù)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(nèi)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(nèi)外的研究現(xiàn)狀和進展，最后展望了石墨烯未來的發(fā)展前景。

文獻標(biāo)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(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)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(xué)物理學(xué)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(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯以其獨特的結(jié)構(gòu)引起了國內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注和極大的興趣，石墨烯的原子結(jié)構(gòu)致使其具有奇異的物理化學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯主要具有以下特點 [2-6]：(1)零帶隙半導(dǎo)體；(2)無質(zhì)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(shù)的石墨材料的基本構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)熱性、高機械強度、高透射系數(shù)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景 [8,9]。此外，石墨烯還在生物醫(yī)學(xué)方面具有潛在應(yīng)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(zhì)、藥物載體等各方面的實際應(yīng)用和國內(nèi)外的研究進展，最后對石墨烯未來的發(fā)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(dǎo)電性，所以被廣泛應(yīng)用在顯示行業(yè)領(lǐng)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(xiàn)代電子設(shè)備需求量的激增而導(dǎo)致的全球電子設(shè)備觸摸屏總面積的持續(xù)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(fā)人員采用卷對卷的方式把制備于銅箔上的石墨烯片轉(zhuǎn)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(dǎo)體，非常適合用來制造透明觸摸屏、光電子板等電子產(chǎn)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(yīng)運而生，但是技術(shù)成熟、效率較高的硅太陽能電池的生產(chǎn)成本、制作工藝和環(huán)境問題限制了其自身的發(fā)展。作為太陽能電池的關(guān)鍵部件――窗口電極必須具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、透光性和合適的功函數(shù)。目前銦錫氧化物半導(dǎo)體透明薄膜（ITO）常常用來當(dāng)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(qū)域的較差透光性和在酸性條件下不穩(wěn)定的特性決定了ITO不適合用在柔性器件的生產(chǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(lǐng)域開啟了一扇大門。

三、場效應(yīng)晶體管

石墨烯是一種零帶隙的半導(dǎo)體，故不能直接在場效應(yīng)晶體管。當(dāng)石墨烯的禁帶帶隙變窄（小于10nm）時，它就會成為準(zhǔn)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(yīng)會出現(xiàn)帶隙，所以用其制造的場效應(yīng)晶體管的開關(guān)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(fā)現(xiàn)時，Novoselov等人用只有幾納米寬度的石墨烯制作出了場效應(yīng)晶體管，在實驗中發(fā)現(xiàn)石墨烯表現(xiàn)出雙極性電場效應(yīng)，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(chǎn)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(jié)語

隨著對石墨烯研究的不斷深入，石墨烯在各領(lǐng)域的應(yīng)用到了廣泛的關(guān)注。制備大塊高質(zhì)量石墨烯才能進一步促進石墨烯的應(yīng)用，因此改進現(xiàn)有制備工藝的水平，實現(xiàn)石墨烯的低成本、大規(guī)模的生產(chǎn)成為給當(dāng)前迫切需要解決的科研問題。從半導(dǎo)體發(fā)展來看，未來的晶體管將會由純凈的、高導(dǎo)電性的石墨烯晶體和經(jīng)過化學(xué)改性的具有半導(dǎo)體性能的石墨衍生物組成。此外，目前對石墨烯的性能應(yīng)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(yīng)管以及超級電容器、太陽能電池等其它電化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。基于石墨烯優(yōu)異的機械性能可制備高強度材料，而較高的導(dǎo)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(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展還有很大空間，如抗癌藥物載體，微型機器人修復(fù)病變器官等都具有很大用途。綜上所述，關(guān)于石墨烯的制備及其應(yīng)用，還有大量的相關(guān)研究需要科研工作者的分析研究。