关于石墨烯的全面介绍

碳原子呈六角形网状键合的材料“石墨烯”具有很多出色的电特性、热特性以及机械特性。具体来说，具有在室温下也高达20万cm2/Vs以上的载流子迁移率，以及远远超过铜的对大电流密度的耐性。为此，石墨烯有望用于高速晶体管、触摸面板、太阳能电池用透明导电膜，以及成本低于铜但与铜相比可通过大电流的电线等。
另外，在目前可以制作的片状材料中，石墨烯的厚度最薄、比表面积也较大。而且，还具有超过金刚石的强度、弹性模数和导热率。如果没有缺陷的话，即便是单层石墨烯，也不会通过大于氦（He）原子的物质。这些性质可以使石墨烯作为电池的电极材料、散热膜、MEMS传感器，或是理想的阻挡膜（Barrier Film）。
与其他材料相比，石墨烯还拥有许多极为特殊的性质。例如，在室温下也可呈现量子霍尔效应；可实现名为“Klein Tunneling”的、透射率为100％的通道效应；电阻值为固定值而与距离无关的“弹道输运”（Ballistic Transport）的有效距离较长；按照由石墨烯上的自由电子来描述中微子的方程式（韦尔方程，Weyl Equation），石墨烯可以像质量为零的粒子一样运动；而且，石墨烯具有被称为“赝自旋（Pseudospin）”和“赝磁场”的、宛如存在电子自旋和磁场的特性；石墨烯还拥有负折射率，等等。这些特性可以使石墨烯用于超高精度的气体传感器和应变传感器等。

王坤

2019-7-29 10:11:32

1、可做“太空电梯”缆线
石墨烯不仅可用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。研究人员表示，如果这种方法被证明可用以成批制造石墨烯光纤，将能降低超坚固炭素复合材料的成本，炭素复合材料在航空航天、汽车和建筑等领域具有广泛的用途。
2、代替硅生产电子产品
硅让我们迈入了数字化时代，但研究人员仍然渴望找到一些新材料，让集成电路更小、更快、更便宜。在众多的备选材料中，石墨烯最引人瞩目。石墨烯值得炫耀的优点有很多，比如超高强度、高透光性以及超强导电性，这让它成为了制造可弯曲显示设备和超高速电子器件的理想材料。石墨烯如今已经出现在新型晶体管、存储器和其他器件的原型样品当中。
国际商业机器公司（IBM）己研制出运行速度最快的石墨烯晶体管。lBM公司于2010年12月发布了其与美国麻省理工学院MIT的共同研究成果——在SiC基板上形成的栅长为240nm的石墨烯场效应晶体管FET，并验证其截止频率为230GHz。石墨烯通过热外理SiC基板而成膜。IBM表示，计划将其应用于高频RF元件。
Rice大学研究人员正在着手研究一类存储单元密度至少为闪存两倍的石墨烯片状存储器。石墨烯是由没有卷成纳米管的纯炭原子薄膜构成，此次Rice大学研究人员首次将石墨烯用于架构更简单的双端存储器件。
科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设各，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高。于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。
3、光子传感器
石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，用于检测光纤中携带的信息。现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。去年10月，IBM的一研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。
英国剑桥大学及法国CNR的研究人员已经制造出超快锁模石墨烯激光器。由于石墨烯为零能隙的半导体，这项研究成果不仅令人意外，而且显示了石墨烯在光电器件上大有可为。

杨兢兢

2019-7-29 10:11:43

4、纳电子器件
石墨烯是纳米电路的理想材料，也是验证量子效应的理想材料。但是由于完整的石墨烯基本没有带隙，极大地限制了它在半导体器件上的应用，所以为石墨烯开启一个带隙，是一件非常重要的课题。近来研究表明，一维尺度受限的石墨烯纳米带具有一定的带隙，可以获得高性能的晶体场效应管，增加芯片速度与效能、降低耗热量。然而，制备宽度小于10nm的石墨烯纳米带是非常困难的问题。
在纳电子器件方面石墨烯的可能应用包括:电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管;进一步减小器件开关时间，THz超高频率的操作响应特性;探索单电子器件在同一片石墨烯上集成整个电路。
据美国物理学家组织网2010年6月10日报道，美国科研人员利用石墨烯制造纳米电路领域取得突破性进展。设计出了简便、快速的纳米电线制造方法，能够调谐石墨烯的电学特征，使氧化石墨烯从绝缘物质变成导电物质。
美国曼彻斯特大学的研究人员用石墨烯制成了分子级电子电路。石墨烯可以被刻成拥有单个晶体管的电子电路，其尺寸不比分子大多少，晶体管尺寸越小，其功能越强。研究人员还表示，从氧化石墨烯到石墨烯的简单转换是制造导电性纳米线的重要途径，其不仅可应用于软性电子学领域，还有望用于生产与生物兼容的石墨烯电线，可被用于测量单个生物细胞的电子信号。
5、优良的太阳能电池
因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。透明的石墨烯薄可制成优良的太阳能电池。美国鲁特格大学开发出一种制造透明石墨烯薄膜的技术，这是一种几厘米宽、1～5nm厚的薄膜。石墨烯薄膜是一种平坦的单原子碳薄，可用于取代透明导电的ITO电极用于有机太阳能电池。这些薄膜还用于取代显示屏中的硅薄膜晶体管。石墨烯运送电子的速度比硅快几十倍，因而用石墨烯制成的晶体管工作得更快、更省电。美国南加州大学的研究人员开发了一种柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有机太阳电池。
6、单分子传感器
美国伦斯勒理工学院的研究者最近发表的三项新研究成果表明石墨烯应该用于制造风力涡轮机和飞机机翼的增强复合材料。石墨烯可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体，可制成具有精细结构的电子元件，应用于电池/电容器，即使在生物技术方面也可得到应用。
2010年，美国莱斯大学利用该石墨烯量子点，制作单分子传感器。莱斯大学将石墨烯薄片与单层氦合形成石墨烷。氦使导电的石墨烯变换成为绝缘的石墨烷。研究人员移除石墨烯薄片两面的氦原子岛，就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱。该导电的石墨烯阱就可作为量子阱。量子点的半导体特性要优于体硅材料器件。这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。

7、触摸面板试制品不断面世
除了高速高灵敏度器件之外，透明导电膜也是最接近实用化的的应用例。设想作为目前普遍使用的ITO的替代材料，用于触摸面板、柔性液晶面板、太阳能电池及有机EL照明等。试制品也接二连三地面世。

透明导电膜这一用途备受期待的原因在于，石墨烯具备较高的载流子迁移率且厚度较薄。一般来说，高透明性与高导电性是互为相反的性质。从这一点来看，ITO正好处在透明性与导电性微妙的此消彼长（Trade-off）关系的边缘线上（如下图）。这也是超越ITO的替代材料迟迟没有出现的原因。

石墨烯在理论上有望避开这种此消彼长的关系成为理想的透明导电膜。其原因是，由于载流子迁移率非常高，即使载流子密度较低，导电性也不容易下降。而载流子密度较低的话，会比较容易穿过更大波长范围的光。相当于单个原子的超薄厚度同样有助于提高透明性。不仅是可见光，石墨烯还可透过大部分红外线，这一性质目前已为人所知。因此，对于还希望利用红外线来发电的太阳能电池而言，石墨烯有望成为划时代的透明导电膜。与不适于弯曲的ITO相比，还具备柔性较高的优势。
不过，透明导电膜目前还存在很多问题。由于制作大面积石墨烯时会混入很多杂质及缺陷，因此大多数试制品的导电性及透明性都未达到ITO的水平。即便如此，石墨烯仍有望用来制作触摸面板如下图所示。

a. 为产综研以石墨烯为透明导电膜制作的触摸面板。b. 为使用CNT的例子。c. 表示试制例的性能及用途。d. 由产综研提供。
这个触摸屏的工作原理很容易理解，触摸屏由上下两层粘在PET薄膜上的石墨烯构成，没有接触的情况下，两层石墨烯被下层上放置的绝缘点阵阻隔而互不接触。当外界压力存在的时候，PET薄膜和石墨烯在压力下发生形变，这样上下两层石墨烯就发生接触，电路连通。接触的位置不同，器件边缘电极收集到的电信号也不一样，通过对电信号的分析，就可以确定是触摸屏上的哪个位置发生了接触。三星公司的成功，让人们看到，这种生成大尺寸石墨烯的方法完全适合于工业应用，而且相对于传统方法，成本低了很多。

4、纳电子器件
石墨烯是纳米电路的理想材料，也是验证量子效应的理想材料。但是由于完整的石墨烯基本没有带隙，极大地限制了它在半导体器件上的应用，所以为石墨烯开启一个带隙，是一件非常重要的课题。近来研究表明，一维尺度受限的石墨烯纳米带具有一定的带隙，可以获得高性能的晶体场效应管，增加芯片速度与效能、降低耗热量。然而，制备宽度小于10nm的石墨烯纳米带是非常困难的问题。
在纳电子器件方面石墨烯的可能应用包括:电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管;进一步减小器件开关时间，THz超高频率的操作响应特性;探索单电子器件在同一片石墨烯上集成整个电路。
据美国物理学家组织网2010年6月10日报道，美国科研人员利用石墨烯制造纳米电路领域取得突破性进展。设计出了简便、快速的纳米电线制造方法，能够调谐石墨烯的电学特征，使氧化石墨烯从绝缘物质变成导电物质。
美国曼彻斯特大学的研究人员用石墨烯制成了分子级电子电路。石墨烯可以被刻成拥有单个晶体管的电子电路，其尺寸不比分子大多少，晶体管尺寸越小，其功能越强。研究人员还表示，从氧化石墨烯到石墨烯的简单转换是制造导电性纳米线的重要途径，其不仅可应用于软性电子学领域，还有望用于生产与生物兼容的石墨烯电线，可被用于测量单个生物细胞的电子信号。
5、优良的太阳能电池
因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。透明的石墨烯薄可制成优良的太阳能电池。美国鲁特格大学开发出一种制造透明石墨烯薄膜的技术，这是一种几厘米宽、1～5nm厚的薄膜。石墨烯薄膜是一种平坦的单原子碳薄，可用于取代透明导电的ITO电极用于有机太阳能电池。这些薄膜还用于取代显示屏中的硅薄膜晶体管。石墨烯运送电子的速度比硅快几十倍，因而用石墨烯制成的晶体管工作得更快、更省电。美国南加州大学的研究人员开发了一种柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有机太阳电池。
6、单分子传感器
美国伦斯勒理工学院的研究者最近发表的三项新研究成果表明石墨烯应该用于制造风力涡轮机和飞机机翼的增强复合材料。石墨烯可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体，可制成具有精细结构的电子元件，应用于电池/电容器，即使在生物技术方面也可得到应用。
2010年，美国莱斯大学利用该石墨烯量子点，制作单分子传感器。莱斯大学将石墨烯薄片与单层氦合形成石墨烷。氦使导电的石墨烯变换成为绝缘的石墨烷。研究人员移除石墨烯薄片两面的氦原子岛，就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱。该导电的石墨烯阱就可作为量子阱。量子点的半导体特性要优于体硅材料器件。这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。

7、触摸面板试制品不断面世
除了高速高灵敏度器件之外，透明导电膜也是最接近实用化的的应用例。设想作为目前普遍使用的ITO的替代材料，用于触摸面板、柔性液晶面板、太阳能电池及有机EL照明等。试制品也接二连三地面世。

透明导电膜这一用途备受期待的原因在于，石墨烯具备较高的载流子迁移率且厚度较薄。一般来说，高透明性与高导电性是互为相反的性质。从这一点来看，ITO正好处在透明性与导电性微妙的此消彼长（Trade-off）关系的边缘线上（如下图）。这也是超越ITO的替代材料迟迟没有出现的原因。

石墨烯在理论上有望避开这种此消彼长的关系成为理想的透明导电膜。其原因是，由于载流子迁移率非常高，即使载流子密度较低，导电性也不容易下降。而载流子密度较低的话，会比较容易穿过更大波长范围的光。相当于单个原子的超薄厚度同样有助于提高透明性。不仅是可见光，石墨烯还可透过大部分红外线，这一性质目前已为人所知。因此，对于还希望利用红外线来发电的太阳能电池而言，石墨烯有望成为划时代的透明导电膜。与不适于弯曲的ITO相比，还具备柔性较高的优势。
不过，透明导电膜目前还存在很多问题。由于制作大面积石墨烯时会混入很多杂质及缺陷，因此大多数试制品的导电性及透明性都未达到ITO的水平。即便如此，石墨烯仍有望用来制作触摸面板如下图所示。

a. 为产综研以石墨烯为透明导电膜制作的触摸面板。b. 为使用CNT的例子。c. 表示试制例的性能及用途。d. 由产综研提供。
这个触摸屏的工作原理很容易理解，触摸屏由上下两层粘在PET薄膜上的石墨烯构成，没有接触的情况下，两层石墨烯被下层上放置的绝缘点阵阻隔而互不接触。当外界压力存在的时候，PET薄膜和石墨烯在压力下发生形变，这样上下两层石墨烯就发生接触，电路连通。接触的位置不同，器件边缘电极收集到的电信号也不一样，通过对电信号的分析，就可以确定是触摸屏上的哪个位置发生了接触。三星公司的成功，让人们看到，这种生成大尺寸石墨烯的方法完全适合于工业应用，而且相对于传统方法，成本低了很多。

沈茜

2019-7-29 10:11:46

8、石墨烯纳米生物传感器
2010年3月，在中国科学院院长特别基金和国家自然基金项目的支持下，国家纳米科学中心石墨烯纳米生物传感器研究取得突破。国家纳米科学中心和美国哈佛大学合作首次成功制备了石墨烯与动物心肌细胞的人造突触，建立了一维、二维纳米材料与细胞相结合的独特研究体系，为生物电子学的研究带来了新的机遇。
9、高速光学调制器
美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器，科学家表示，这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力，有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究的突破点就在于，用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料，做成一个高速、对热不敏感，宽带、廉价和小尺寸的调制器，从而解决了业界长期未能解决的问题。
10、石墨烯纳米抗菌材料
2010年8月20日，美国化学会《ACS纳米》杂志报道了中国科学院上海应用物理研究所物理生物学实验室在新型石墨烯纳米抗菌材料方面的研究工作。上海应用物理所物理生物学实验室的博士研究生胡文兵等在樊春海和黄庆研究员的指导下探索了氧化石墨烯的抗菌特性，发现氧化石墨烯纳米悬液在与大肠杆菌孵育2h后，对其抑制率超过90%，进一步的实验结果表明氧化石墨烯的抗菌性源于其对大肠杆菌细胞膜的破坏。更重要的是：氧化石墨烯不仅是一种新型的优良抗菌材料，而且对哺乳动物细胞产生的细胞毒性很小。此外，通过抽滤法能够将氧化石墨烯制备成纸片样的宏观石墨烯膜，也能有效地抑制大肠杆菌的生长。由于氧化石墨烯的制备简便、成本低廉，这种新型的碳纳米材料有望在环境和临床领域得到广泛的应用。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长，而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带，食品包装甚至抗菌T恤。
11、其它
中国科学院金属所沈阳材料科学国家联合实验室先进炭材料部的研究人员在石墨烯的研究方面取得的进展主要包括以下三个方面:可控制备出高质量石墨烯;提出了表征石墨烯结构的新方法；开展了石墨烯的应用探索。在石墨烯的应用方面，该实验室有研究人员在石墨烯宏量制备的基础上，开展了石墨烯在场发射体、超级电容器、锂离子电池和透明导电膜等方面的应用探索。
如上所述，石墨烯有望在诸多应用领域中成为新一代器件，但这些元件要达到实际应用水平，还需要解决一大问题。那就是如何在所要求的基板或位置制作出不含缺陷及杂质的高品质石墨烯，或者通过掺杂Doping法实现所期望载流子密度的石墨烯。用于透明导电膜用途时能否实现大面积化及量产化，而用于晶体管用途时能否提高层控制精度，这些问题都十分重要。今后，为了探寻石墨烯更广阔的应用领域，还需继续寻求更为优异的石墨烯制备工艺，使其得到更好的应用。
作者：物理 1001 任建新

任迎新

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王坤

杨兢兢

沈茜

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