石墨烯
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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sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國(guó)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(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過(guò)15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來(lái)發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來(lái)制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽(yáng)能電池。
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研究歷史
石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來(lái)越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開(kāi)膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來(lái)越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過(guò)5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅遠(yuǎn)沒(méi)有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了72%-81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會(huì)被損耗，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性。
2物理性質(zhì)
電子運(yùn)輸
在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚態(tài)物理界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無(wú)法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實(shí)驗(yàn)中被制備出來(lái)。這些可能歸結(jié)于石墨烯在納米級(jí)別上的微觀扭曲。
石墨烯還表現(xiàn)出了異常的整數(shù)量子霍爾行為。其霍爾電導(dǎo)=2e/h,6e/h,10e/h....為量子電導(dǎo)的奇數(shù)倍，且可以在室溫下觀測(cè)到。這個(gè)行為已被科學(xué)家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對(duì)論量子力學(xué)，沒(méi)有靜質(zhì)量”。
石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。
石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子”的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。
石墨烯有相當(dāng)?shù)耐该鞫龋嚎梢晕沾蠹s2.3%的可見(jiàn)光。而這也是石墨烯中載荷子相對(duì)論性的體現(xiàn)。
加州大學(xué)河濱分校（UCRiverside）的Alexlander Balandin教授及其研究小組成員應(yīng)用拉曼光譜偏移測(cè)量手段，測(cè)得懸空的單層石墨烯在室溫下可擁有 4840 W/mK 的高熱導(dǎo)率。石墨烯的高熱導(dǎo)率特性也進(jìn)一步支持石墨烯作為新電子器件材料的應(yīng)用前景。
機(jī)械特性：石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家對(duì)石墨烯的機(jī)械特性進(jìn)行了全面的研究。在試驗(yàn)過(guò)程中，他們選取了一些直徑在10—20微米的石墨烯微粒作為研究對(duì)象。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個(gè)表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在1—1.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對(duì)這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測(cè)試它們的承受能力。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100萬(wàn)納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬(wàn)牛的壓力才能將其扯斷。換句話說(shuō)，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。
電子相互作用
利用世界上最強(qiáng)大的人造輻射源，美國(guó)加州大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)和勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了石墨烯特性新秘密：石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強(qiáng)烈的相互作用。
科學(xué)家借助了美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“先進(jìn)光源（ALS）”電子同步加速器。這個(gè)加速器產(chǎn)生的光輻射亮度相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上X射線強(qiáng)度的1億倍?？茖W(xué)家利用這一強(qiáng)光源觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強(qiáng)烈，而且電子和電子之間也有很強(qiáng)的相互作用。
記憶效應(yīng)
質(zhì)譜測(cè)定中的記憶效應(yīng)表現(xiàn)為一次涂樣測(cè)定的結(jié)果受到殘存在離子源內(nèi)測(cè)定過(guò)的同種樣品的影響，當(dāng)前后樣品的待測(cè)同位素豐度相差越大時(shí)，記憶效應(yīng)帶來(lái)的影響也越大。在熱電離質(zhì)譜測(cè)定中，記憶效應(yīng)主要由石墨烯表面吸附和樣品沉積兩種因素引起。有些活性強(qiáng)的化合物的蒸氣與離子源內(nèi)表面接觸時(shí)會(huì)被吸附，吸附量的多少除了與化合物的性質(zhì)有關(guān)外，還與離子源內(nèi)表面的材料及光潔度有關(guān)。
當(dāng)長(zhǎng)期工作以后，樣品蒸氣在離子源內(nèi)表面的沉積會(huì)越來(lái)越多，特別是在源的出口縫及離子光學(xué)透鏡的狹縫處，如果在高溫下工作，沉積在離子源內(nèi)表面的樣品會(huì)受熱再次蒸發(fā)而被電離，影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外一種情況，雖然測(cè)定的元素與離子源已沉積的元素不一樣，但它們是同質(zhì)異位素，這樣離子源內(nèi)表面的沉積也會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果帶來(lái)影響。記憶效應(yīng)的強(qiáng)弱與所采用的樣品化合物的形式有關(guān)，如進(jìn)行鋰同位素測(cè)定時(shí)，采用不同鋰化合物凃樣，定量測(cè)定的記憶的鋰量相差很大，其中以LiF的記憶效應(yīng)最強(qiáng)。
3化學(xué)性質(zhì)
石墨烯[1]是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。
至今關(guān)于石墨烯化學(xué)知道的是：類似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子。從表面化學(xué)的角度來(lái)看，石墨烯的性質(zhì)類似于石墨，可利用石墨來(lái)推測(cè)石墨烯的性質(zhì)。石墨烯化學(xué)可能有許多潛在的應(yīng)用，然而要石墨烯的化學(xué)性質(zhì)得到廣泛關(guān)注，有一個(gè)不得不克服的障礙：缺乏適用于傳統(tǒng)化學(xué)方法的樣品。如果這一點(diǎn)未得到解決，研究石墨烯化學(xué)將面臨重重困難。
由于其獨(dú)有的特性，石墨烯被稱為“神奇材料”?？茖W(xué)家甚至預(yù)言“徹底改變21世紀(jì)”的，便是石墨烯電池。利用石墨烯加入電池電極材料中可以大大提高充電效率，并且提高電池容量。自我裝配的多層石墨烯片不僅是鋰空氣電池的理想設(shè)計(jì)，也可以應(yīng)用于許多其他潛在的能源存儲(chǔ)領(lǐng)域如超級(jí)電容器、電磁炮等。此外，新型石墨烯材料將不依賴于鉑或其他貴金屬，可有效降低成本和對(duì)環(huán)境的影響。
結(jié)構(gòu)
sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元
石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu), 它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán), 是目前最理想的二維納米材料。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元。
區(qū)別
單層石墨烯及其派生物
4技術(shù)發(fā)展
美國(guó)能源部國(guó)家直線加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC）和斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)研究首次揭示了石墨烯插層復(fù)合材料的超導(dǎo)機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)一種潛在的工藝能使石墨烯這個(gè)具有廣闊應(yīng)用前景的“材料之王”獲得人們夢(mèng)寐以求的超導(dǎo)性能。該研究有助于推動(dòng)石墨烯在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出高速晶體管、納米傳感器和量子計(jì)算設(shè)備。相關(guān)論文發(fā)表在2014年3月20日出版的《自然通訊》雜志上。
石墨烯是一種呈蜂巢狀排列的單層碳原子結(jié)構(gòu)，是目前已知的最薄、強(qiáng)度最高的物質(zhì)，具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能?？茖W(xué)家希望用石墨烯制成高速晶體管、傳感器乃至透明電極。此前，人們就已知道摻雜金屬原子的石墨烯插層材料具有二維超導(dǎo)性能。但科學(xué)家們一直無(wú)法確定超導(dǎo)性是來(lái)源于金屬、石墨烯還是兩者兼而有之。新研究首次通過(guò)令人信服的證據(jù)，證明了是石墨烯在其中起到了關(guān)鍵作用。為相關(guān)材料在納米級(jí)電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路。
物理學(xué)家組織網(wǎng)2014年3月21日的報(bào)道中稱，研究人員是通過(guò)強(qiáng)紫外線對(duì)一種名為鈣插層石墨烯（CaC6）的材料進(jìn)行研究后得出上述結(jié)論的。CaC6是純鈣晶體與石墨發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所得到的石墨烯插層復(fù)合材料，由單層碳原子石墨烯和單層原子鈣交替復(fù)合而成。
研究人員將一份來(lái)自英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）的CaC6樣品在斯坦福同步輻射光源實(shí)驗(yàn)室（SSRL）進(jìn)行了分析。高強(qiáng)度的紫外線能夠幫助他們深入到材料內(nèi)部進(jìn)行觀察，分清每層內(nèi)的電子是如何運(yùn)動(dòng)的。實(shí)驗(yàn)顯示，電子在石墨烯和鈣原子層之間來(lái)回散射，與材料的原子結(jié)構(gòu)發(fā)生自然振動(dòng)并發(fā)生配對(duì)，從而獲得了無(wú)電阻的導(dǎo)電性。
5應(yīng)用領(lǐng)域
石墨烯是迄今為止世界上強(qiáng)度最大的材料，據(jù)測(cè)算如果用石墨烯制成厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 萬(wàn)納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；第二：石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料。
石墨烯的應(yīng)用范圍廣闊。根據(jù)石墨烯超薄，強(qiáng)度超大的特性，石墨烯可被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機(jī)材料等。根據(jù)其優(yōu)異的導(dǎo)電性，使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯有可能會(huì)成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，碳元素更高的電子遷移率可以使未來(lái)的計(jì)算機(jī)獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是一種優(yōu)良的改性劑，在新能源領(lǐng)域如超級(jí)電容器、鋰離子電池方面，由于其高傳導(dǎo)性、高比表面積，可適用于作為電極材料助劑。
納電子器件方面
2005年，Geim研究組[3 J與Kim研究組H 發(fā)現(xiàn)，室溫下石墨烯具有10倍于商用硅片的高載流子遷移率(約10 am /V·s)，并且受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小，表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性(300 K下可達(dá)0.3 m)，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢(shì)，使電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場(chǎng)效應(yīng)管成為可能。較大的費(fèi)米速度和低接觸電阻則有助于進(jìn)一步減小器件開(kāi)關(guān)時(shí)間，超高頻率的操作響應(yīng)特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優(yōu)勢(shì)。此外，石墨烯減小到納米尺度甚至單個(gè)苯環(huán)同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，使探索單電子器件成為可能。
代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)法將越來(lái)越多的信息填充在信號(hào)中，它們被要求使用越來(lái)越高的頻率，然而手機(jī)的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無(wú)限廣闊了。 這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。
太陽(yáng)能電池
2010年，清華大學(xué)的Xinming Li和Hongwei Zhu等人首次將石墨烯覆蓋在傳統(tǒng)的單晶硅材料上，研究發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能。這樣一個(gè)簡(jiǎn)易的太陽(yáng)能電池模型，經(jīng)過(guò)優(yōu)化提升后光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到10%以上。石墨烯-硅模型還可以進(jìn)一步拓展為石墨烯與其他半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)。這種可以將石墨烯與傳統(tǒng)材料結(jié)合的模型，為石墨烯的實(shí)際應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用。
光子傳感器
石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場(chǎng)上，這種傳感器是用于檢測(cè)光纖中攜帶的信息的，這個(gè)角色一直由硅擔(dān)當(dāng)，但硅的時(shí)代似乎就要結(jié)束。2012年10月，IBM的一個(gè)研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測(cè)器，接下來(lái)人們要期待的就是基于石墨烯的太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏了。因?yàn)槭┦峭该鞯?，用它制造的電板比其他材料具有更?yōu)良的透光性。
基因電子測(cè)序
由于導(dǎo)電的石墨烯的厚度小于DNA鏈中相鄰堿基之間的距離以及DNA四種堿基之間存在電子指紋，因此，石墨烯有望實(shí)現(xiàn)直接的，快速的，低成本的基因電子測(cè)序技術(shù)。[2]
減少噪音
美國(guó)IBM 宣布，通過(guò)重疊2層相當(dāng)于石墨單原子層的“石墨烯(Graphene)”，試制成功了新型晶體管，同時(shí)發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特有的1/f。石墨烯，試制成功了相同的晶體管，不過(guò)與預(yù)計(jì)的相反，發(fā)現(xiàn)能夠大幅控制噪音。通過(guò)在二層石墨烯之間生成的強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制噪音。噪聲。
隧穿勢(shì)壘材料
量子隧穿效應(yīng)是一種衰減波耦合效應(yīng)，其量子行為遵守薛定諤波動(dòng)方程，應(yīng)用于電子冷發(fā)射、量子計(jì)算、半導(dǎo)體物理學(xué)、超導(dǎo)體物理學(xué)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)勢(shì)壘材料采用氧化鋁、氧化鎂等材料，由于其厚度不均、容易出現(xiàn)孔隙和電荷陷阱，通常具有較高的能耗和發(fā)熱量，影響到了器件的性能和穩(wěn)定性，甚至引起災(zāi)難性失敗。基于石墨烯在導(dǎo)電、導(dǎo)熱和結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)，美國(guó)海軍研究試驗(yàn)室（NRL）將其作為量子隧穿勢(shì)壘材料的首選。未來(lái)得石墨烯勢(shì)壘將有可能在隧穿晶體管、非揮發(fā)性磁性記憶體和可編程邏輯電路中率先得以應(yīng)用。
其它應(yīng)用
石墨烯還可以應(yīng)用于晶體管、觸摸屏、基因測(cè)序等領(lǐng)域，同時(shí)有望幫助物理學(xué)家在量子物理學(xué)研究領(lǐng)域取得新突破。中國(guó)科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無(wú)法生長(zhǎng),而人類細(xì)胞卻不會(huì)受損。利用這一點(diǎn)石墨烯可以用來(lái)做繃帶,食品包裝甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光電化學(xué)電池可以取代基于金屬的有機(jī)發(fā)光二極管,因石墨烯還可以取代燈具的傳統(tǒng)金屬石墨電極,使之更易于回收。這種物質(zhì)不僅可以用來(lái)開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。
6制備方法
石墨烯的研究熱潮也吸引了國(guó)內(nèi)外材料制備研究的興趣，石墨烯材料的制備方法已報(bào)道的有：機(jī)械剝離法、化學(xué)氧化法、晶體外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法、有機(jī)合成法和碳納米管剝離法等。
微機(jī)械剝離法
2004年，Geim等首次用微機(jī)械剝離法，成功地從高定向熱裂解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)上剝離并觀測(cè)到單層石墨烯。Geim研究組利用這一方法成功制備了準(zhǔn)二維石墨烯并觀測(cè)到其形貌，揭示了石墨烯二維晶體結(jié)構(gòu)存在的原因。微機(jī)械剝離法可以制備出高質(zhì)量石墨烯，但存在產(chǎn)率低和成本高的不足，不滿足工業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)要求，2004年只能作為實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模制備。
化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)首次在規(guī)模化制備石墨烯的問(wèn)題方面有了新的突破(參考化學(xué)氣相沉積法制備高質(zhì)量石墨烯)。CVD法是指反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。
麻省理工學(xué)院的Kong等、韓國(guó)成均館大學(xué)的Hong等和普渡大學(xué)的Chen等在利用CVD法制備石墨烯。他們使用的是一種以鎳為基片的管狀簡(jiǎn)易沉積爐，通入含碳?xì)怏w，如：碳?xì)浠衔铮诟邷叵路纸獬商荚映练e在鎳的表面,形成石墨烯，通過(guò)輕微的化學(xué)刻蝕，使石墨烯薄膜和鎳片分離得到石墨烯薄膜。這種薄膜在透光率為80%時(shí)電導(dǎo)率即可達(dá)到1.1×106S/m，成為透明導(dǎo)電薄膜的潛在替代品。用CVD法可以制備出高質(zhì)量大面積的石墨烯，但是理想的基片材料單晶鎳的價(jià)格太昂貴，這可能是影響石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的重要因素。CVD法可以滿足規(guī)模化制備高質(zhì)量石墨烯的要求，但成本較高，工藝復(fù)雜。
氧化還原法
氧化-還原法制備成本低廉且容易實(shí)現(xiàn)，成為制備石墨烯的最佳方法，而且可以制備穩(wěn)定的石墨烯懸浮液，解決了石墨烯不易分散的問(wèn)題。氧化-還原法是指將天然石墨與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化性物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨(GO)，經(jīng)過(guò)超聲分散制備成氧化石墨烯(單層氧化石墨)，加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團(tuán)，如羧基、環(huán)氧基和羥基，得到石墨烯。
氧化-還原法被提出后，以其簡(jiǎn)單易行的工藝成為實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯的最簡(jiǎn)便的方法，得到廣大石墨烯研究者的青睞。Ruoff等發(fā)現(xiàn)通過(guò)加入化學(xué)物質(zhì)例如二甲肼、對(duì)苯二酚、硼氫化鈉(NaBH4)和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基團(tuán)，就能得到石墨烯。氧化-還原法可以制備穩(wěn)定的石墨烯懸浮液，解決了石墨烯難以分散在溶劑中的問(wèn)題。
氧化-還原法的缺點(diǎn)是宏量制備容易帶來(lái)廢液污染和制備的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元環(huán)、七元環(huán)等拓?fù)淙毕莼虼嬖?OH基團(tuán)的結(jié)構(gòu)缺陷，這些將導(dǎo)致石墨烯部分電學(xué)性能的損失，使石墨烯的應(yīng)用受到限制。
溶劑剝離法
溶劑剝離法的原理是將少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，此時(shí)溶劑可以插入石墨層間，進(jìn)行層層剝離，制備出石墨烯。此方法不會(huì)像氧化-還原法那樣破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)，可以制備高質(zhì)量的石墨烯。在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的產(chǎn)率最高(大約為8%)，電導(dǎo)率為6500S/m。研究發(fā)現(xiàn)高定向熱裂解石墨、熱膨脹石墨和微晶人造石墨適合用于溶劑剝離法制備石墨烯。溶劑剝離法可以制備高質(zhì)量的石墨烯，整個(gè)液相剝離的過(guò)程沒(méi)有在石墨烯的表面引入任何缺陷，為其在微電子學(xué)、多功能復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的應(yīng)用前景。缺點(diǎn)是產(chǎn)率很低。
溶劑熱法
溶劑熱法是指在特制的密閉反應(yīng)器(高壓釜)中，采用有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，通過(guò)將反應(yīng)體系加熱至臨界溫度(或接近臨界溫度)，在反應(yīng)體系中自身產(chǎn)生高壓而進(jìn)行材料制備的一種有效方法。
溶劑熱法解決了規(guī)?；苽涫┑膯?wèn)題，同時(shí)也帶來(lái)了電導(dǎo)率很低的負(fù)面影響。為解決由此帶來(lái)的不足，研究者將溶劑熱法和氧化還原法相結(jié)合制備出了高質(zhì)量的石墨烯。Dai等發(fā)現(xiàn)溶劑熱條件下還原氧化石墨烯制備的石墨烯薄膜電阻小于傳統(tǒng)條件下制備石墨烯。溶劑熱法因高溫高壓封閉體系下可制備高質(zhì)量石墨烯的特點(diǎn)越來(lái)越受科學(xué)家的關(guān)注。溶劑熱法和其他制備方法的結(jié)合將成為石墨烯制備的又一亮點(diǎn)。
其它方法
石墨烯的制備方法還有高溫還原、光照還原、外延晶體生長(zhǎng)法、微波法、電弧法、電化學(xué)法等。筆者在以上基礎(chǔ)上提出一種機(jī)械法制備納米石墨烯微片的新方法，并嘗試宏量生產(chǎn)石墨烯的研究中取得較好的成果。如何綜合運(yùn)用各種石墨烯制備方法的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，解決石墨烯的難溶解性和不穩(wěn)定性的問(wèn)題，完善結(jié)構(gòu)和電性能等是今后研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也為今后石墨烯的制備與合成開(kāi)辟新的道路。
7相關(guān)介紹
2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)將石墨烯帶入了人們的視線。2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授通過(guò)一種很簡(jiǎn)單的方法從石墨薄片中剝離出了石墨烯，為此他們二人也榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
石墨烯行業(yè)仍在量產(chǎn)摸索階段,主要的制備方法有微機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法、氧化石墨還原法和氣相沉積法;其中氧化石墨還原法優(yōu)于制備成本相對(duì)較低，是主要制備方法。
石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等等，都需要良好的透明電導(dǎo)電極材料。特別是，石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性都比常用材料氧化銦錫優(yōu)良;氧化銦錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內(nèi)的石墨烯薄膜可以沉積于大面積區(qū)域。通過(guò)化學(xué)氣相沉積法，可以制成大面積、連續(xù)的、透明、高電導(dǎo)率的少層石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的陽(yáng)極，并得到高達(dá)1.71%能量轉(zhuǎn)換效率;與用氧化銦錫材料制成的元件相比，大約為其能量轉(zhuǎn)換效率的55.2%。作為新興產(chǎn)業(yè)，前瞻網(wǎng)指出。石墨烯未來(lái)前途一片光明。
石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)形態(tài)，使其具備目前世界上最硬、最薄的特征，同時(shí)也具有很強(qiáng)的韌性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。這些及其特殊的特性使其擁有無(wú)比巨大的發(fā)展空間，未來(lái)可以應(yīng)用于電子、航天、光學(xué)、儲(chǔ)能、生物醫(yī)藥、日常生活等大量領(lǐng)域?！?十二五"期間中國(guó)石墨烯行業(yè)深度市場(chǎng)調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》稱石墨烯集合世界上最優(yōu)質(zhì)的各種材料品質(zhì)于一身，故有業(yè)內(nèi)人士如此評(píng)價(jià)：如果說(shuō)20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，石墨烯則開(kāi)創(chuàng)了21世紀(jì)的新材料紀(jì)元，將給世界帶來(lái)實(shí)質(zhì)性變化。
諾貝爾獎(jiǎng)
石墨烯應(yīng)用范圍廣闊。根據(jù)石墨烯強(qiáng)度超大，超薄的特性，石墨烯可被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，比如超薄超輕型飛機(jī)材料，超輕防彈衣等。根據(jù)其優(yōu)異的導(dǎo)電性，使它在微電子的領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯有可能會(huì)成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，碳元素更高電子遷移率可以使未來(lái)的計(jì)算機(jī)獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是優(yōu)良的改性劑，在新能源領(lǐng)域如鋰離子電池、超級(jí)電容器方面，由于其高傳導(dǎo)性、高比表面積，可用于作為電極材料助劑
英國(guó)曼徹斯特大學(xué)兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫兩人于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)，他們?cè)菐熒?，也是同事，他們都出生于俄羅斯，都曾在那里學(xué)習(xí)，也曾一同在荷蘭學(xué)習(xí)和研究，最后他們又一起在英國(guó)制備出了石墨烯。這種神奇材料的誕生使安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
海姆和諾沃肖洛夫2004年制備出石墨烯。這是目前世界上最薄的材料，僅有一個(gè)碳原子厚。與所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導(dǎo)電性也很好。此外，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作。而作為熱導(dǎo)體，石墨烯比任何其他材料的導(dǎo)熱效果都好。
海姆和諾沃肖洛夫認(rèn)為，石墨烯晶體管已展示出優(yōu)點(diǎn)和良好性能，因此石墨烯可能最終會(huì)替代硅。由于成果要經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)，許多諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)都是在獲得成果十幾或幾十年后才頒發(fā)。而石墨烯材料的制備成功距今才6年時(shí)間，就獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，這使諾沃肖洛夫感到意外。他說(shuō)：“今天早上聽(tīng)說(shuō)這個(gè)消息時(shí)，我非常驚喜，第一個(gè)想法就是奔到實(shí)驗(yàn)室告訴整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)?！倍Ｄ穭t表示，“我從沒(méi)想過(guò)獲諾貝爾獎(jiǎng)，昨天晚上睡得很踏實(shí)”。
海姆認(rèn)為，獲得諾貝爾獎(jiǎng)的有兩種人：一種是獲獎(jiǎng)后就停止了研究，至此終老一生再無(wú)成果；一種是生怕別人認(rèn)為他是偶然獲獎(jiǎng)的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成為第二種人，當(dāng)然我會(huì)像平常一樣走進(jìn)辦公室，繼續(xù)努力工作，繼續(xù)平常生活?！盵3]
論壇
石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)及投資論壇于2013年7月13-14日在北京舉辦，并成立“中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”。此次論壇將圍繞石墨烯制備技術(shù)，石墨烯引導(dǎo)哪些新興產(chǎn)業(yè)鏈，石墨烯最具商業(yè)價(jià)值的應(yīng)用領(lǐng)域，以及如何理性投資石墨烯產(chǎn)業(yè)等四大主題進(jìn)行探討。[3]
研究成果
最小最快的晶體管
2011年4月7日IBM向媒體展示了其最快的石墨烯晶體管，該產(chǎn)品每秒能執(zhí)行1550億個(gè)循環(huán)操作，比之前的試驗(yàn)用晶體管快50%。
該晶體管的截止頻率為155GHz，使得其速度更快的同時(shí)，也比IBM2011年2月展出的100GHz石墨烯晶體管具備了更多的能力。
IBM研究人員林育名表示，石墨烯晶體管成本較低，可以在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，為石墨烯芯片的商業(yè)化生產(chǎn)提供了方向，從而用于無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)和影像等多個(gè)領(lǐng)域。
該晶體管的研制是IBM承接美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局的任務(wù)，研發(fā)高性能無(wú)線電頻率晶體管，軍方對(duì)此很感興趣。它尚未可完全用于PC機(jī)，因?yàn)樽匀皇┲腥鄙倌芟?，石墨烯晶體管不具備數(shù)碼切換操作需要的開(kāi)閉比，從而在處理離散數(shù)碼信號(hào)方面不如傳統(tǒng)處理器。
相比之下，石墨烯的連續(xù)能隙流使得其處理模擬信號(hào)的能力更強(qiáng)。通過(guò)使用IBM改良的“類金剛石碳”，石墨烯晶體管的溫度穩(wěn)定性更強(qiáng)。同時(shí)，它也是目前為止IBM最小的晶體管，選通脈沖寬度從550納秒降到了40納秒，而2011年的產(chǎn)品寬度為240納秒。
2009年12月1日在美國(guó)召開(kāi)的材料科學(xué)國(guó)際會(huì)議上，日本富士通研究所宣布，他們用石墨烯制作出了幾千個(gè)晶體管。富士通研究所的研究人員將原料氣體吹向事先涂有用做催化劑的鐵的襯底，在這種襯底上制成大面積石墨烯薄膜。
大面積的石墨烯制備一直是個(gè)難題。富士通用上述方法制成了高質(zhì)量的7.5厘米直徑的石墨烯膜。在此基礎(chǔ)上，再配置電極和絕緣層，制成了石墨烯晶體管。由于石墨烯面積較大，富士通在上面制成了幾千個(gè)晶體管。石墨烯晶體管比硅晶體管功耗低和運(yùn)行速度快，可制作出性能優(yōu)良的半導(dǎo)體器件。如果改進(jìn)技術(shù)后有望進(jìn)一步擴(kuò)大石墨烯面積，這樣能夠制作出更多的晶體管和石墨烯集成電路，為生產(chǎn)高檔電子產(chǎn)品創(chuàng)造了條件。
2009年11月日本東北大學(xué)與會(huì)津大學(xué)通過(guò)合作研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯可產(chǎn)生太赫茲光的電磁波。研究人員在硅襯底上制作了石墨烯薄膜，將紅外線照射到石墨烯薄膜上，只需很短時(shí)間就能放射出太赫茲光。如果今后能夠繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)，使光源強(qiáng)度進(jìn)一步增大，將開(kāi)發(fā)出高性能的激光器。
研究團(tuán)隊(duì)在硅襯底上使用有機(jī)氣體制作一層碳硅化合物。然后，進(jìn)行熱處理，使其生長(zhǎng)出石墨烯的薄膜。該石墨烯薄膜只需極短暫的時(shí)間照射紅外線，就能從石墨烯上發(fā)送出太赫茲光。該團(tuán)隊(duì)正致力于開(kāi)發(fā)能將光粒封閉在內(nèi)部，使光源強(qiáng)度增加的器件，期望能夠開(kāi)發(fā)出在接近室溫條件下可工作的太赫茲激光器。
2010年，美國(guó)萊斯大學(xué)利用該石墨烯量子點(diǎn)，制作單分子傳感器。萊斯大學(xué)將石墨烯薄片與單層氦鍵合，形成石墨烷。石墨烷是絕緣體。氦使石墨烯由導(dǎo)體變換成為絕緣體。研究人員移除石墨烯薄片兩面的氦原子島，就形成了被石墨烷絕緣體包圍的、微小的導(dǎo)電的石墨烯阱。該導(dǎo)電的石墨烯阱就可作為量子阱。量子點(diǎn)的半導(dǎo)體特性要優(yōu)于體硅材料器件。這一技術(shù)可用來(lái)制作化學(xué)傳感器、太陽(yáng)能電池、醫(yī)療成像裝置或是納米級(jí)電路等。
全球最小光學(xué)調(diào)制器
據(jù)美國(guó)媒體今晨報(bào)道，美國(guó)華裔科學(xué)家使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調(diào)制器，科學(xué)家表示，這個(gè)只有頭發(fā)絲四百分之一細(xì)的光學(xué)調(diào)制器具備的高速信號(hào)傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬(wàn)倍，一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影指日可待。這項(xiàng)研究是由加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的張翔教授、王楓助理教授以及博士后劉明等組成的研究團(tuán)隊(duì)共同完成的，研究論文將于2011年6月2日在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表。這項(xiàng)研究的突破點(diǎn)就在于，用石墨烯這種世界上最薄卻最堅(jiān)硬的納米材料，做成一個(gè)高速、對(duì)熱不敏感，寬帶、廉價(jià)和小尺寸的調(diào)制器，從而解決了業(yè)界長(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題。
華人科研團(tuán)隊(duì)將石墨烯鋪展在一個(gè)硅波導(dǎo)管的頂部，建造出了這款能打開(kāi)或關(guān)閉光束的光調(diào)制器（調(diào)制器是控制數(shù)據(jù)傳輸速度的關(guān)鍵），把電子信號(hào)轉(zhuǎn)化成光學(xué)信號(hào)傳輸數(shù)字信息。銅導(dǎo)線長(zhǎng)距離傳輸速度最高可達(dá)100兆，而每個(gè)石墨烯調(diào)制器的傳輸速度比銅導(dǎo)線快約千倍。如果把10個(gè)石墨烯調(diào)制器放在一起，傳輸速度可以達(dá)到百萬(wàn)兆，上網(wǎng)速度將比以前快1萬(wàn)倍。價(jià)廉物美是石墨烯調(diào)制器的另一優(yōu)勢(shì)，"目前市場(chǎng)上的光學(xué)調(diào)制器5250美元一個(gè)，而我們的石墨烯調(diào)制器只需要幾美元"。 相對(duì)于現(xiàn)有調(diào)制器幾個(gè)平方毫米的體積，這種石墨烯調(diào)制器還具有體積小的優(yōu)勢(shì)，只有25平方微米，且僅有頭發(fā)絲的四百分之一細(xì)，它可以放在電腦主板上的任何位置。張翔教授表示，新石墨烯調(diào)制器不僅可用于消費(fèi)電子產(chǎn)品上，還可用于任何受限于數(shù)據(jù)傳輸速度的領(lǐng)域，包括生物信息學(xué)以及天氣預(yù)報(bào)等，未來(lái)也會(huì)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。
低成本石墨烯電池?fù)?jù)了解，美國(guó)俄亥俄州Nanotek儀器公司的研究人員利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出一種新型儲(chǔ)能設(shè)備，可以將充電時(shí)間從過(guò)去的數(shù)小時(shí)之久縮短到不到一分鐘。該研究發(fā)表在出版的《納米快報(bào)》上。
作為導(dǎo)電性、機(jī)械性能都很優(yōu)異的材料，素來(lái)有“黑金子”之稱的石墨烯在中國(guó)市場(chǎng)上的價(jià)格近十倍于黃金，超過(guò)2000元/克。
新型石墨烯電池實(shí)驗(yàn)階段的成功，無(wú)疑將成為電池產(chǎn)業(yè)的一個(gè)新的發(fā)展點(diǎn)。電池技術(shù)是電動(dòng)汽車大力推廣和發(fā)展的最大門檻，而電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲(chǔ)能設(shè)備的研制成功后，若能批量生產(chǎn)，則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的變革。（科技日?qǐng)?bào)）
首款手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏研制成功
2012年1月8日，江南石墨烯研究院對(duì)外發(fā)布，全球首款手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏在常州研制成功。該成果經(jīng)上?？茖W(xué)技術(shù)情報(bào)研究所和廈門大學(xué)查實(shí)，顯示為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。
江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技有限公司聯(lián)合無(wú)錫麗格光電科技有限公司和深圳力合光電傳感器技術(shù)有限公司共同研發(fā)的手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏項(xiàng)目，成功制成電容觸摸屏手機(jī)樣機(jī)，并完成了功能測(cè)試。這款透明到幾乎用肉眼無(wú)法辨析的超級(jí)薄膜，具有現(xiàn)有智能手機(jī)觸摸屏的基本功能，電容屏傳感器整個(gè)觸摸區(qū)域可以識(shí)別單指和雙指觸摸及進(jìn)行畫(huà)線動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)圖片單指手勢(shì)左右拖動(dòng)及雙指手勢(shì)放大和旋轉(zhuǎn)，而這只是石墨烯材料產(chǎn)品之一。
據(jù)此前相關(guān)報(bào)道稱，石墨烯的相關(guān)產(chǎn)品在國(guó)外還處于研發(fā)和概念機(jī)階段，尚未有大規(guī)模制造及商業(yè)化。而此次首款手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏的成功研制，表明了石墨烯產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室逐步走向了市場(chǎng)。
光電傳感器
2012年8月，諾基亞的研發(fā)部門已經(jīng)在著手研究石墨烯光電傳感器，并且已經(jīng)在美國(guó)專利和商標(biāo)局注冊(cè)了一項(xiàng)專利。
諾基亞石墨烯光電傳感器原理
石墨烯作為光電傳感器材料的優(yōu)勢(shì)就在于其透光性。這種單層的六邊形碳原子材料僅僅吸收2.3%的光，并使所有光譜的光均勻地通過(guò)（紅外線、可見(jiàn)光和紫外線）。因此，對(duì)于諾基亞的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，這在光線不足的條件下肯定比傳統(tǒng)的CMOS傳感器具備更好的性能。同時(shí)，石墨烯傳感器比傳統(tǒng)傳感器薄許多，因此你的下一個(gè)4100萬(wàn)像素的PureView手持設(shè)備肯定不會(huì)是像諾基亞808那樣的大塊頭。此外，石墨烯傳感器比CMOS在生產(chǎn)工藝和流程方面更簡(jiǎn)單，造價(jià)更便宜。
石墨烯生產(chǎn)由于種種原因，還僅停留于實(shí)驗(yàn)室階段，而用石墨烯制造的傳感器，也表現(xiàn)出了照片響應(yīng)差、噪音多等問(wèn)題。因此諾基亞或許將在最近幾年不斷提升和研發(fā)這種石墨烯光電傳感器的性能。
國(guó)內(nèi)首片15英寸單層石墨烯問(wèn)世
[提要]與現(xiàn)有手機(jī)觸摸屏材料相比,石墨烯優(yōu)點(diǎn)更多,被認(rèn)為是2013之前世界上最薄、幾乎完全透光、強(qiáng)度也最大的材料。中科院重慶研究院正在與廣東地區(qū)的風(fēng)投機(jī)構(gòu)商談,力爭(zhēng)讓石墨烯在一年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
你想用上屏幕可以來(lái)回彎曲折疊的手機(jī)嗎?采用石墨烯材料,就可能變成現(xiàn)實(shí)。采用可折疊屏幕后,即使手機(jī)屏變得更大了,但攜帶起來(lái)還是很方便。1月22日,記者從中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院(簡(jiǎn)稱中科院重慶研究院)了解到,該院已經(jīng)成功制備出國(guó)內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯,這樣的大尺寸,達(dá)到了國(guó)內(nèi)最高水平。它或?qū)槲覀兊氖謾C(jī)、電腦等電子產(chǎn)品帶來(lái)一場(chǎng)革命。
世界上最薄的納米材料,透光性好,能折疊
據(jù)介紹,石墨烯是由碳原子組成的單原子層平面薄膜,可以作為制備新型觸摸屏的核心部分――透明電極的材料。它究竟薄到哪種程度?中科院重慶研究院微納制造與系統(tǒng)集成研究中心副主任史浩飛解釋,石墨烯只有0.34納米厚,粗略估計(jì)一下,一根頭發(fā)絲的直徑,大概等于十萬(wàn)層石墨烯疊加起來(lái)的厚度,所以用肉眼是看不見(jiàn)它的。它自身只吸收約2.3%的光,能夠做到幾乎完全透光,讓觸摸屏亮度更好,同時(shí),還能保證很高的電導(dǎo)率,這對(duì)于過(guò)去那些觸摸屏材料來(lái)說(shuō),是難以同時(shí)解決的?！斑^(guò)去認(rèn)為鉆石熱導(dǎo)率最高,但是石墨烯是它的2倍?！?/span>
值得一提的是,石墨烯還具備很好的柔性,也即是說(shuō),它在一定程度上可以彎曲折疊,不會(huì)對(duì)屏幕造成損害。
“從這些優(yōu)點(diǎn)來(lái)看,石墨烯特別適合在電子信息產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用。像IBM、三星這些大企業(yè),都相當(dāng)關(guān)注它的發(fā)展?！笔泛骑w說(shuō)。
成功制備7英寸的石墨烯觸摸屏
據(jù)悉,自2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái),如何解決大面積、高質(zhì)量石墨烯制備和快速高效轉(zhuǎn)移兩大關(guān)鍵問(wèn)題,讓石墨烯應(yīng)用于透明電極中,一直困擾著很多研究者。
“如果電阻觸摸屏要采用這種材料,需要先在金屬表面上催化生長(zhǎng)石墨烯,再把它轉(zhuǎn)移到適合的基底上,才能進(jìn)行應(yīng)用。”史浩飛告訴記者,這就相當(dāng)于在一個(gè)足球場(chǎng)上鋪一層薄薄的保鮮膜,要讓它平平整整且完好無(wú)損,難度特別大。
據(jù)介紹,通過(guò)“石墨烯透明電極關(guān)鍵技術(shù)”研究,他們采用工業(yè)原料如塑料、液態(tài)苯等作為有效碳源,在300℃的低溫下生長(zhǎng)出高質(zhì)量的石墨烯。
中科院重慶研究院已經(jīng)在銅箔襯底上生長(zhǎng)出15英寸的均勻單層石墨烯,并成功將其完整地轉(zhuǎn)移到柔性PET襯底上和其他基底表面,并且通過(guò)進(jìn)一步應(yīng)用,還制備出了7英寸的石墨烯觸摸屏。
在中科院重慶研究院的實(shí)驗(yàn)室里,記者看到,研究人員將石墨烯觸摸屏貼在一臺(tái)普通筆記本電腦的顯示屏上,調(diào)試完畢后,用手寫(xiě)筆就能輕松地在屏幕上寫(xiě)字。
新型石墨烯晶體管實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)比率
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)2012年1月23日（北京時(shí)間）報(bào)道，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的科研人員設(shè)計(jì)出一種新型石墨烯晶體管，在其中電子可借助隧穿和熱離子效應(yīng)，同時(shí)從上方和下方穿越障礙，并在室溫下展現(xiàn)出高達(dá)1×106的開(kāi)關(guān)比率。
石墨烯晶體管獲得較高的開(kāi)關(guān)比率一直難以實(shí)現(xiàn)，而有了高開(kāi)關(guān)比，以及其在柔性、透明基板上的操作能力，新型晶體管能夠在后CMOS設(shè)備時(shí)代占有一席之地，并有望達(dá)到更快的計(jì)算速度。相關(guān)研究發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》雜志上。
石墨烯晶體管多具有三明治結(jié)構(gòu)，以原子厚度的石墨烯作為外層，而以其他超薄材料作為中間夾層。這些中間層可以囊括多種不同材料。在此次的研究中，科學(xué)家使用二硫化鎢（WS2）作為中間層，其能夠作為兩個(gè)石墨烯夾層之間原子厚度的壁壘。與其他壁壘材料相比，二硫化鎢的最大優(yōu)勢(shì)在于，電子可借助熱離子運(yùn)輸方式從上方越過(guò)障礙，也可利用隧穿效應(yīng)從下方穿過(guò)障礙。處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，極少電子能借助上述方式穿越障礙，但當(dāng)調(diào)至開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，電子既能選用一種方式逾越壁壘，亦能同時(shí)選擇兩種方式以實(shí)現(xiàn)類似效果。
開(kāi)關(guān)間切換將改變晶體管的柵電壓。負(fù)柵電壓將形成關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)槠鋵⒃黾铀泶┱系K高度，因此幾乎沒(méi)有電子能夠越過(guò)壁壘。而正柵電壓能通過(guò)降低隧穿障礙的高度使晶體管轉(zhuǎn)換至開(kāi)啟狀態(tài)。同時(shí)，如果溫度足夠高，亦可借助熱離子電流從上方越過(guò)壁壘。在低電壓和低溫的情況下，隧穿電流與電壓呈線性關(guān)聯(lián)。但當(dāng)處于高壓下時(shí)，隧穿電流會(huì)隨電壓呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，此時(shí)熱離子電流就會(huì)成為主要的傳輸機(jī)制。
利用上述特質(zhì)和二硫化鎢壁壘材料，新晶體管成為目前性能最佳的石墨烯晶體管之一。此外，由于僅具有幾個(gè)原子層的厚度，新型晶體管能夠耐受彎曲，未來(lái)更有望應(yīng)用于柔性、透明電子設(shè)備的制造，成為后CMOS設(shè)備時(shí)代的有力備選。
碳海綿：碳納米管和石墨烯共同支撐起無(wú)數(shù)個(gè)孔隙的三維多孔材料
2013年3月，浙江大學(xué)高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠――它刷新了目前世界上最輕材料的紀(jì)錄，彈性和吸油能力令人驚喜。這種被稱為“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度為每立方厘米0.16毫克，僅是空氣密度的1/6。它的價(jià)值在于其簡(jiǎn)便的制備方法，以及材料所展現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)越性能。不需要模板，只與容器有關(guān)。容器多大，就可以制備多大，可以做到上千立方厘米，甚至更大。
純石墨烯粉末制成柔性散熱薄膜
2013年4月2日，貴州新碳高科有限責(zé)任公司宣布研制成功出中國(guó)首個(gè)純石墨烯粉末產(chǎn)品——柔性石墨烯散熱薄膜。此次發(fā)布的中國(guó)首個(gè)石墨烯粉末應(yīng)用產(chǎn)品“柔性石墨烯散熱薄膜”，由貴州新碳高科有限責(zé)任公司研發(fā)和生產(chǎn)，由上海新池能源科技有限公司提供穩(wěn)定的、量產(chǎn)規(guī)模的石墨烯粉末。新碳高科建立了年產(chǎn)2萬(wàn)平米生產(chǎn)線，已成功生產(chǎn)1000平方米石墨烯柔性散熱薄膜產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用了單片厚度1-5個(gè)原子層，橫向尺寸0.5-5微米，比表面積500-1000m/g的高質(zhì)量石墨烯粉末，通過(guò)制備高濃度不團(tuán)聚的石墨烯溶液，利用輥涂技術(shù)（Roll to Roll）形成有良好定向性的石墨烯微片層狀結(jié)構(gòu)，然后在高溫特定氣氛下還原，使石墨烯微片邊緣晶粒長(zhǎng)大，最后擴(kuò)展成為大面積連續(xù)二維結(jié)構(gòu)的石墨烯柔性散熱薄膜。產(chǎn)品熱擴(kuò)散率達(dá)到700-900M2/S，熱導(dǎo)率在800-1600W/（mk）。其散熱效果比常用的散熱材料銅（熱導(dǎo)率429W/（mk）要提高2-4倍，而且具有良好的可加工性能。
柔性集體
石墨烯[4]具有高導(dǎo)電性和良好的柔韌性，是柔性儲(chǔ)能器件的理想候選材料之一。金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室在前期制備出具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯泡沫的基礎(chǔ)上(Nature Materials 10 (6), 424, 2011)，利用該材料作為高導(dǎo)電的柔性集流體，設(shè)計(jì)并制備出可快速充放電的柔性鋰離子電池。研究人員將三維連通的石墨烯網(wǎng)絡(luò)作為集流體，取代電池中常用的金屬集流體，不僅可有效降低電極中非活性物質(zhì)的比例，且三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)的高導(dǎo)電性和多孔結(jié)構(gòu)為鋰離子和電子提供了快速擴(kuò)散通道，可實(shí)現(xiàn)電極材料的快速充放電性能。為了在不使用粘結(jié)劑和導(dǎo)電添加劑的情況下實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)和石墨烯集流體的良好接觸以促進(jìn)電子傳輸和提高彎折時(shí)電極材料的穩(wěn)定性，研究人員發(fā)展了原位水熱合成方法，在石墨烯三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上直接生長(zhǎng)活性物質(zhì)，
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