石墨烯的研究進展

楊盛昌

【摘 要】石墨烯是一種二維自由態(tài)原子晶體，具有極佳的導電特性、導熱特性、光學特性、機械特性，在各個不同的學科領域得到了大量探索和研究。論文闡述了石墨烯的結構、特性、應用進展以及石墨烯具有的優(yōu)缺點，并對石墨烯的應用提出了建議。

【Abstract】The graphene is a kind of two-dimensional free atom crystal with excellent conductivity， thermal conductivity， optical and mechanical properties. It has been explored and researched much in various subjects areas. In this paper， the structure， properties and application of graphene and its advantages and disadvantages are discussed. Paper puts forward the proposal for the graphene application.

【關鍵詞】石墨烯；結構；性質；應用

【Keywords】graphene； structure； character； application

【中圖分類號】TB332 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）03-0086-02

1 引言

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是當前發(fā)現(xiàn)的唯一一種二維自由態(tài)原子晶體，是除金剛石以外其他碳晶體的基本結構單元，具有許多極佳的電子及機械性能，是當前使用的材料中最薄、強度最大、導電和導熱性能最好的一種納米材料[1]。近年來，科學界對石墨烯的研究逐漸從石墨烯的制備研究轉變到對石墨烯的應用研究，并對石墨烯在光電、醫(yī)學、計算機晶體管等領域都進行了大量的研究，取得了較好的成果。

2 石墨烯的結構及特性

2.1 結構

石墨烯是一種單原子層的碳二維納米材料，其點陣結構是由碳六元環(huán)組成的二維蜂窩狀，是構成其他石墨材料的基本單元，石墨烯主要分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石

墨烯、多層或厚層石墨烯4個類別。石墨烯中每個碳原子

之間都以很強的共價σ鍵相互結合，且相互成為120°的角度，其C—C鍵長大約為0.142nm，構成了特有的六角晶格，這種特殊的成鍵方式和結構使石墨烯成為史上最牢固的材料之一[2]。

2.2 導電特性

石墨烯原子之間具有極強的相互作用力，在室溫條件下，即使碳原子之間發(fā)生相互碰撞和擠壓，石墨烯中的電子在軌道中移動時也不會發(fā)生散射，其電子受到的干擾也非常小，其電子遷移率可達到2×105cm2/V·s，約為硅中電子遷移率的140倍，砷化鎵的20倍，溫度穩(wěn)定性也較高，電導率可達108Ω/m，電阻約為31Ω/sq，比銅或銀更低，是室溫下導電最好的材料。因此，石墨烯具有較好的導電性能。

2.3 導熱特性

石墨烯的導熱效應在高溫時由光子傳導，在低溫時由其中的彈道傳輸所決定。其熱導率室溫下是5000 W·m-1·K-1，是硅的36倍，砷化鎵的20倍，是銅在室溫下的十倍多。因此，石墨烯的導熱性是目前已知材料中最高的，這使石墨烯在許多微熱電器件等領域有非常廣闊的應用前景。

2.4 光學特性

石墨烯有著極高的透明度。線性光學性質：單層石墨烯的吸光率很高，對從可見光到太赫茲寬波段每層吸收2.3%。非線性光學性質：當入射光的強度超過某一臨界值時，石墨烯對其的吸收會達到飽和。這些特性使得石墨烯可以用來做被動鎖模激光器。

2.5 機械特性

目前在發(fā)現(xiàn)的強度、硬度較高的物質材料中，石墨烯的強度是最大的，比鉆石和鋼鐵還要強硬100多倍。哥倫比亞大學對石墨烯材料強度、硬度的研究發(fā)現(xiàn)，作為實驗式樣的石墨烯微粒在開始斷裂前，其每100納米距離上可以承受的壓力高達2.9微牛。這種結果表明，要使1米長的石墨烯斷裂，需要施加55牛頓的壓力。也就是說，如果用石墨烯材料制備的包裝袋，其能承受的最高壓力為2 t的重壓，才能使石墨烯材料制備成的包裝袋斷開。

3應用范圍

3.1 作為晶體管

石墨烯中電子的傳導速率為8×105m/s，雖然比光的傳播速度慢，但比一般半導體中電子傳導速度快，比硅晶片的傳導速度快很多。利用石墨烯的這一特點，可以用來制備晶體管，制備的晶體管具有體積小、成本低、靈敏、快速、節(jié)能的優(yōu)點。

3.2 作為傳感器

石墨烯可用來制備傳感器，其中一個重要原因是，其獨特的二維層狀結構具有比表面積大的特點，而大的比表面積非常有利于制備高靈敏度的傳感器；另外一個重要的原因是，其具有獨特的電子結構，當一些氣體分子被吸附在石墨烯上時，石墨烯的電子結構會發(fā)生改變，導致其導電性能發(fā)生很大的快速變化，因此石墨烯可以應用于制備氣體分子傳感器或探測器。

3.3 作為超級電容器

石墨烯具有比表面積大和電導率高的優(yōu)點，不需要像多孔碳材料電極那樣需要依賴孔的分布才能用來制備超級電容器，這種優(yōu)越的特點使石墨烯成為極佳的電極材料。目前的研究也表明，利用石墨烯材料生產的超級電容器，其功率密度能夠達到10 kW/kg，能量密度能夠達到28.5 Wh/kg，最大比電容能夠達到205 F/g，而且制成的這種超級電容器經(jīng)過1000多次的循環(huán)充放電測試后還能保留90%的比電容，循環(huán)使用的壽命較長。

3.4 作為超導材料

在兩個超導電極中間連接石墨烯的方法來研究約瑟夫森效應，發(fā)現(xiàn)石墨烯中有超電流通過，而且當處于零電荷密度時也有超電流通過，這種現(xiàn)象說明石墨烯具有非常好的超導性。

3.5 作為能源儲存

石墨烯具有較小的質量、較高的化學穩(wěn)定性和較大的比表面積的優(yōu)勢，這種優(yōu)勢可以使其成為最佳的儲氫材料。希臘大學的研究表明石墨烯材料摻雜鉀原子時，石墨烯柱的儲氫量可達到6.1%，使其成為性能最佳的能源儲備材料。

3.6 作為催化劑

石墨烯是從石墨中分離出來的，具有碳材料的特性，能作為一種催化劑載體。但是石墨烯本身又有自身的特性，具有單原子層結構和導電特性的優(yōu)勢，能制備出高質量的燃料電池催化劑，也能高效吸附抗腫瘤的藥物，是一種極好的催化劑，具有廣發(fā)的應用前景。

3.7 作為復合材料

石墨烯具有獨特的物理、化學和力學性能優(yōu)勢，其在新型的復合材料中得到了很好的應用。相關的研究結果也發(fā)現(xiàn)，以石墨烯作為基礎材料制備的聚苯胺石墨烯復合物，其比電容能夠達到1046F/g，遠大于純聚苯胺115F/g的比電容。許多研究結果也發(fā)現(xiàn)，在復合材料中加入了石墨烯，復合材料的多功能性得到了大大的提高，這為復合材料的發(fā)展開闊了最新的道路。

4 石墨烯的應用存在的問題

4.1 制備困難

石墨烯的制備精度直接決定了成品的質量。由于存在不同種類的石墨烯，而在制備不同領域的材料時，需要加入特定的石墨烯材料，例如，在制造電子設備時需要一種石墨烯材料，而在制造電池設備時，需要另外一種完全不相同的石墨烯材料。這種由于需要制備不同類型的石墨烯材料用于不同的領域，限制了石墨烯大規(guī)模的工業(yè)化生產，且在石墨烯的制備過程中，無法保證生產出來的都是完整的六元環(huán)，其中還會夾雜五元環(huán)和七元環(huán)，大大限制了石墨烯的規(guī)模化生產，成為石墨烯發(fā)展所面臨的最大瓶頸。

4.2 石墨烯的相關產品具有潛在的環(huán)境風險

石墨烯的相關產品對人體的毒理學尚不明確，研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的衍生產品“氧化石墨烯納米顆粒”如果處理不當排入水中，便會極易擴散，這是否對人體和牲畜造成危害，缺乏相關的環(huán)評工作對其影響進行評估[3]。

4.3 石墨烯與金屬電極的接觸點電阻很難對付

傳統(tǒng)的半導體晶體管能控制電源的開和關兩種狀態(tài)，但石墨烯過于優(yōu)秀的導電性能使得其控制電源只能開不能關，現(xiàn)有的技術尚不能解決這一難題。

5 結論

石墨烯從證實存在到今天只有短短十幾年時間，但是由于其優(yōu)異的導電特性、導熱特性、光學特性、機械特性等，石墨烯成為了各領域相關機構和科研人員著重研究的熱點問題，在各方面得到了廣泛的關注。但是石墨烯材料還處于承前啟后的發(fā)展階段，需要發(fā)揚其優(yōu)勢的同時，還需解決石墨烯制備困難，相關產品具有潛在的環(huán)境風險、與金屬電極的接觸點電阻很難對付的問題，其制備及其應用，還需要大量的相關研究工作，還需科研工作者進行深度的挖掘、分析及解決。

【參考文獻】

【1】張利萍.石墨烯研究進展和展望[J].內蒙過石油化工，2016（Z1）：11.

【2】談梓賢.石墨烯的未來在哪里——淺談其制備及應用[J].科技尚品，2016（1）：66-67.

【3】賈子龍.石墨烯的研究進展和展望[J].化工技術與開發(fā)，2016，45（3）：29-32.