走近石墨烯

　　石墨烯是什么，拿出一支铅笔，在纸上轻轻划一下，上面就可能有石墨烯了，只是量很少。关于石墨烯的研究最早始于20世纪70年代,Clar等人利用化学方法合成一系列具有大共轭体系的化合物,即石墨烯片，但制出来的石墨烯很小，只是用来研究性能。此后，Schmidt等科学家在Clar的基础上进行了一些研究，但当时普遍认为大面积的单层结构不能稳定存在，因此关于石墨烯的研究基本停滞。30年后，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫两人又再次开始了对石墨烯的研究，并且成功的制出了单层石墨烯，他们也因此获得2010年的诺贝尔物理学奖。而后石墨烯就在全球范围内掀起了一场浪潮。近几年来，石墨烯一直是广大科研工作者研究的热点，也取得了一些突破性的进展。

　　石墨烯的结构

　　石墨烯为什么这么受关注，它的神奇之处在哪呢？这得先从他的结构说起，从材料学的角度来讲，结构决定性质，但我们通常研究的结构都是三维的，例如金属铝铁结构是面心立方堆积，即在一个正方体的8个顶点摆一个球，然后6个面的中心摆一个球，这种结构决定了铁的强度和延展性比较好，广泛应用在建筑行业。那么石墨烯呢，二维的结构?这就是石墨烯第一个神奇的地方。在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在，因为微观粒子是不断运动的，只是我们肉眼看不到，就像表面平静的湖水，其实底下不断的涌动。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但石墨烯还是在实验中被制作出来了，它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。石墨烯的微观结构不想一般晶体那么复杂，它是平面正六边形结构，我们只需要用跳棋就能摆出来。

　　一个碳原子的半径不到1纳米，仅为91pm,那么石墨烯的厚度就不到1纳米。

　　石墨烯的组成

　　决定材料的性质的另一个要素是物质组成。从名字上我们可以知道，石墨烯来自石墨，烯代表不饱和。石墨是碳的一种，碳是一种神奇的元素，钻石的组成就是碳。在石墨烯发现之前就有好几个重要的碳材料被发现，首先是天然的金刚石，金刚石是自然界中最坚硬的物质，用很久远的使用历史。然后在1985年Kroto H. W.、Smalley R. E.、和Curl R. F.共同发现了足球烯 并确认和证实其结构，他们因而获得1996 年诺贝尔化学奖，足球烯是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形，因外形像足球而被称为足球烯，其具有许多特殊且优异，可以说是碳纳米研究中抛砖引玉的发现。在足球烯研究推动下，1991 年一种更加奇特的碳结构 - 碳纳米管被日本电子公司(NEC)的饭岛博士发现，碳纳米管是一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。这些材料都是以石墨为原料制取出来的，因其具有金属光泽，曾被误认为是铅，生活中常用的铅笔实际是石墨笔芯，而不是铅，所以应该叫石墨笔更合适。石墨是一种结晶形碳，六方晶系，为铁墨色至深灰色。硬度低，熔沸点高。质软,有滑腻感,可导电。化学性质不活泼,耐腐蚀,与酸、碱等不易反应。因此常用作电池电极。

　　石墨烯的性质

　　了解了结构和组成，我们再来看它的性质，就我们最可感觉的力学性质来说。从我们的生活经验来看，越薄的东西越不结实，一块木板很结实，但从木板上刨下来的刨花却能够被扯断，石墨烯的厚度不到刨花的一万分之一，那它是不是很容易碎裂呢？这就是石墨烯第二个神奇的地方。石墨片虽然很脆，但从上面剥下来的石墨烯是目前已知强度最高的材料之一，比钻石还坚硬，断裂强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍（比较不太合适，只是为了更具体的感受）同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa，这得益于其碳原子间强力的键，以及十分稳定的正六边形结构。理论上来说，如果用单层石墨烯做成一个吊床，可以承受一只猫的重量。而且因为石墨烯很薄，所以透光性极好，如果一个人躺在这样的吊床上，在别人看来就像是漂浮在空中一样。如果能用它替代张家界玻璃栈桥的玻璃，那悬空感和刺激感就要更上一个层次了。

　　石墨烯还有许多优良的性质。它继承了石墨的良好的导电性和导热性，并且青出于蓝胜于蓝，石墨烯具有超高的电子迁移率，电子的运动速度达到了光速的三百分之一。同时也是世界上迄今为止电阻率最小的材料，其电阻约为 10 Ω·cm。而且是一种热稳定材料，热导率高达 5 300 瓦/（米·开），是铜的 13 倍。此外石墨烯的理论比表面积高达2 600m2 g，具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质 。

　　石墨诸多优良的性质,将给社会生产的多个方面带来重大变革，目前主要用来作为电池、储氢材料、晶体管等。

　　新能源电池

　　石墨烯最早商用的重要应用产品之一是新能源电池，也是现在最主要的应用研究方向。美国麻省理工学院的一份报告指出，石墨烯被认为是第三代太阳能电池的最佳备选材料之一，将为数码相机、手机等小型随身电子设备提供连续使用的能量，未来具备太阳能电源的设备将更为小巧美观。2014 年，意大利 Pro Trade 公司的技术人员费瑞博士介绍，他们研发出的用于电动汽车的石墨烯电池，一次充电可以跑 600  km，并且这种电池的充电时间极短，只需要十几分钟。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用奠定了基础石墨烯太阳能电池的光电转化率是传统多晶硅的 2 倍，高达 60%。传统的太阳能路灯，灯泡上都有太阳能电池板。用上新材料，太阳能电池板可以被弯曲，也可以通过工艺改良直接做成灯泡的护罩，还可以设计成多种样式，增加了美观性。用这种新材料做成的太阳能电池板，可以铺在蔬菜大棚上，堆了一层“太阳能被子”，温室大棚又多了一项新的功能。石墨烯太阳能电池的应用将给我们带来绿色、环保、节能的新生活。

　　新能源汽车

　　近年来氢能汽车是研究的热点，重点突破的难题是氢气的储备，石墨烯超大的表面积在储氢材料方面也大显身手。目前的储氢材料主要为合金，如LaNi5、TiFe、MgNi等都有储氢能力。其中,La和Ti合金为低温(< 150℃)储氢材料,但其储氢能力低(< 2wt%);Mg合金为高温储氢材料,虽然理论储氢量很高,但它的吸附 解吸动力学不稳定。此外,合金不仅价格昂贵而且比重大,因而在很大程度上限制了其实际应用。在新型储氢材料的开发研究中,人们发现石墨烯等都有很好的储氢能力,而且这些材料的价格低廉,能够大幅度降低成本。Rao等研究了石墨烯(3— 4层)对氢气的吸附性能。在常温下对H2的吸附,最高可达3.1wt%;。理论计算表明,如果采用单层石墨烯,其H2吸附量可达7.7wt%,完全能满足美国能源部(MOE)对汽车所需氢能的要求(6wt%)。因而,在储氢材料方面,石墨烯具有很好的发展前景,有待科学家进一步研究。

　　超微型晶体管

　　石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。传统集成电路的特征尺寸在10nm 以下会面临的短沟道效应、隧道效应，而石墨烯凭借其超高的电子迁移率打破了这一限制。石墨烯数字晶体管主要要解决的问题是，扩展足够的电流开关比、实现互补逻辑和提高接触点的导电性。从目前的研究成果来看，构造石墨烯纳米带阵列结构（当石墨烯纳米带的宽度小于10nm时，呈现 出半导体特性）应该是比较具有潜力的研究思路，不仅提供了更多的沟道，而且抑制散射，有望具有高的开关比和导通电流。另外构造异质结结构（加入其他物质与PN结类似），非常有希望提高石墨烯晶体管的开关比和饱和电流。虽然制造出与石墨烯晶格匹配的介质材料如氮化硼等目前还有很大的挑战，但是纵向异质结结构有望构造隧道晶体管，实现高的开关比，是一个很有前途的方向。如果石墨烯晶体管得以实用，必将对集成电路行业产生巨大影响，同时促进相关联行业的进步。

　　除了这些，石墨烯还在可弯曲屏幕、传感器、电极材料、药物控制释放、人造皮肤等领域均有良好的应用前景

　　然石墨烯这么好，那么它离我们还有多远呢？我们什么时候能感受到它带来的便利呢？谁也没法给出一个准确的答复，这一切都要靠科学家们的探索和研就，有时还需要一些机缘，可能碰巧看到了某样东西，然后联想到了解决办法，但更多的还是认真的思考，仔细的观察。在科学家们的不懈努力下，已经有了许多制备石墨烯的方法，大体可分为物理方法和化学方法，虽然还不能大规模应用生产，但还是在不断靠近。

　　物理方法

　　物理方法包括微机械分离法、取向附生法。微机械分离法是最初的、最普通的方法，2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯（也就是获得诺贝尔奖的），但缺点是费时费力,难以精确控制,重复性较差,难以大规模制备。取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在 1150 ℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖80 %后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。而且使用的基质是稀有金属钌，成本高。

　　化学方法

　　化学方法有SiC热解法、气相沉积法、氧化-分散-还原法等。SiC热解法是先将样品经过氧化或H2刻蚀表面处理,然后在超高真空下(1× 10^- 10 Torr)经电子轰击加热到1 000℃ ,除去氧化物,并用俄歇电子能谱(AES)监测,当氧化物完全去除后,加热样品至1 250—1 450℃ ,这时将形成石墨烯层。这种方法可得到单层和双层石墨烯,但其缺点在于:难以大面积制备,成膜不均匀;条件苛刻,高温> 1 100℃ ,超高真空10^- 10Torr(成本高)。化学气相沉积法是反应物质在相当高的温度、气态条件下发生化学反应,生成的固态物质沉积在加热的固态基体表面,进而制得固体材料的方法。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。Dato等报道了一种新型等离子体增强化学气相沉积法,乙醇液滴作为碳源,利用Ar等离子体合成石墨烯,极大地缩短了反应时间。该方法优点在于可以满足石墨烯规模化生产需求，但缺点在于受制于基片材料单晶镍的价格制约，工业化难度加大。氧化-分散-还原法是目前应用最广泛的合成方法。它是将石墨氧化得到溶液中分散(借助超声、高速离心)的石墨烯前体,再用还原剂还原得到单层或多层石墨烯。常见的氧化方法有Brodie方法、Hummer方法以及Staudenmaier方法。 该方法优点在于可以有效解决石墨烯在溶剂中难分散等问题，但不足之处在于工艺过程中产生的污染物难以处理。

　　不论是物理方法还是化学方法，石墨烯的生产技术已日渐成熟，在科研工作者的不断努力下，预计五年之内我们就能使用到石墨烯产品。石墨烯会给我们的生活带来怎样的改变，然我们拭目以待。

　　展开想象

　　爱因斯坦说过：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严肃地说，想象力是科学研究中的实在因素。”石墨烯的发展也需要想象，这种想象不一定要来自专门从事石墨烯研究的人，因为他们的知识虽然足够专业，但他们的想象力也被固定的知识限制住了。因此，展开我们的想象，或许也能为科学的发展贡献一份力。比如在石墨烯的制备方面，能不能通过加聚反应来制备呢。我们知道，萘蒽菲都是六元环的多环芳香化合物，其中的碳原子就是以以正六边形的方式排列的平面结构，这与石墨烯的结构十分相似。而且萘蒽菲三种化合物的稳定性随环的增加而增强，所以如果能够合成出更多的化合物，那么该化合物也肯定能稳定存在。另一方面，随着环的增加，碳氢比越来越高，其组成越来越接近石墨烯。受限的是，多环芳香化合物的来源都是石油化工的分馏产品，因为其利用价值太低，关于多环芳烃合成的研究很少，理论还不成熟。虽然合成比较困难，但也不失为一种方法。

　　仰望星空，脚踏实地；展开想象，细心研究，相信石墨烯很快就能走进我们的生活。