石墨烯(graphene)是近几年来发展起来的一种新型二维无机纳米材料，自从其发现以来，石墨烯在化学、物理、材料、电子等各个领域显示了广阔的应用前景。尤其是它极高的机械强度，出色的导电和导热性能，以及丰富的来源（石墨），使其能作为一种理想的无机纳米填料来制备聚合物复合材料。

1. 石墨烯结构简介

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化连接形成的单原子层二维晶体，其厚度为0.335nm，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱。电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.142nm。

图1 石墨烯结构示意图及扫描图

每个碳原子除了以σ键与其他三个碳原子相连之外，剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，如图2所示，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维(0D)的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的一维(1D)碳纳米管，也可堆叠形成三维(3D)的石墨。

图2 石墨烯：其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨

2. 石墨烯的特性

石墨烯独特的单原子层结构，决定了其拥有许多优异的性质。石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”，极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。石墨烯有很多“最强性能”：

图3 石墨烯的“最强性能”

2.1 石墨烯的电学特性

单层石墨烯的价带与导带相交于布里渊区的六个顶点，这些顶点就是狄拉克点。由此，我们发现石墨烯是一种特殊能带结构的零带隙半导体材料。因此，石墨烯具有很多优异的电学特性：（1）低电阻率；（2）高迁移率；（3）高迁移速度；（4）半整数量子霍尔效应。

图4 石墨烯三维能带结构图

2.2 石墨烯的力学特性

由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ键，因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。2008年，美国哥伦比亚大学两名华裔科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能，发现石墨烯是至今测量过的强度最大的材料，其杨氏模量约为1100GPa，断裂强度更是达到了130GPa，比结构刚的强度要高200倍。2013年，该研究团队发现即使是存在缺陷的石墨烯仍然是目前已知的强度最高的材料。完全由缝合晶界组成的石墨烯薄膜能保持超高强度，这是石墨烯在柔性电子和加强件等领域大量应用的关键。

2.3 石墨烯的热学特性

(1)石墨烯的导热率高达5300W·m^-1·K^-1，是铜的2倍和硅的50倍；

(2)单层石墨烯的导热率与片层宽带、缺陷密度和边缘粗糙度密切相关；

(3)石墨稀片层沿平面方向导热具有各向异性的特点；

(4)在室温以上，导热率随着温度的增加而逐渐减小。

2.4 石墨烯的光学特性

2008年，奈尔(Nair)等人发现石墨烯在近红外和可见光波段具有极佳的光透射性。他们将悬浮的石墨烯薄膜覆盖在几十个μm量级的孔洞上，发现单层石墨烯的可见光透过率能够达97.7%，而且透光率随着层数的增加呈线性减少的趋势。

图5 不同层数石墨烯的透射光谱

3. 石墨烯的制备

制约石墨烯的广泛应用和工业化生产的一个重要因素就是如何大规模地制备出单层或者少层且具有可加工性能的石墨烯材料。目前应用较为广泛的制备石墨烯的方法大致可以分为以下几类：机械剥离法、化学气相沉积法、SiC热分解法和氧化石墨烯还原法等。

图6 石墨烯的制备方法

3.1 机械剥离法

机械剥离法，是一种反复在石墨上粘贴并揭下粘合胶带来制备石墨烯的方法，缺点是很难控制所获得的石墨烯片的大小及层数。而且只能勉强获得数mm见方的石墨烯片。其优点是，可以获得采用其他方法时无法实现的极高品质石墨烯片。还有人指出，“正是因为机械剥离法的出现才使石墨烯的分离研究在短时间内取得了进展”。

图7 机械剥离法

3.2 化学气相沉积法

采用化学气相沉积法制造大面积石墨烯膜已成为可能。这是在真空容器中将甲烷等碳源加热至1000℃左右使其分解，然后在Ni及Cu等金属箔上形成石墨烯膜的技术。2010 年6 月韩国成均馆大学与三星电子等宣布，开发出了可制备30 英寸单层石墨烯膜的制造工艺以及采用这种石墨烯膜的触摸面板，这一消息让石墨烯研究人员及技术人员感到十分吃惊。不过，在1000℃高温下采用的工艺只能以分批处理的方式推进，这是该制造工艺的瓶颈。而且这种工艺还存在反复转印的过程中容易混入缺陷及杂质的问题。

图8化学气相沉积法

3.3 SiC热分解法

SiC热分解法是，将SiC基板加热至1300℃左右后除去表面的Si，剩余的C自发性重新组合形成石墨烯片的工艺。IBM公司2010年1月将原来的机械剥离法改为这种方法制作了石墨烯场效应管。其优点是“不会受原来SiC基板上存在的若干凹凸的影响，可像从上面铺设地毯一样形成石墨烯片”。而其存在的课题是，需要非常高的处理温度，石墨烯片的尺寸不易达到数μm见方以上，而且很难转印至其他基板，只能使用昂贵的SiC基板。

图9 SiC热分解法

3.4 氧化石墨烯还原法

氧化石墨烯还原法是2000年三菱气体化学开发一种方法。这种方法首先使石墨粉氧化，然后放入溶液内溶化，在基板上涂上薄薄的一层后再使其还原。目前，这种方法用于制作大面积透明导电膜以及采用涂布工艺制作的薄膜晶体管。尽管该工艺的温度较低而且方法简单，但由于采用折叠多个数十nm 见方断片的构造，而且不能完全还原，因此存在的课题是很难确保充分的导电性及透明性。

图10 氧化石墨烯还原法

4. 石墨烯的应用

石墨烯具有非常广泛的用途，不仅可以用于功能性材料，还能用于构造体的材料。许多研究机构及厂商已开始以具备多项穿透特性的单层石墨烯为研究对象，研发新一代器件的实用化，其应用领域从原子尺寸扩大到宇宙。下面给大家简单介绍几种石墨烯的应用。

图11 石墨烯的应用

4.1 散热薄膜

石墨烯散热薄膜外观与锡箔纸相似，柔韧能任意折叠，可用剪刀剪成任意形状。“薄膜厚度控制在25微米左右，相当于普通A4纸的三分之一厚”，用约360℃高的热源去靠近它时，石墨烯散热膜的表面温度可均匀保持在127℃左右。

图12 柔性石墨烯散热薄膜

2013年4月2日，贵州新碳高科有限责任公司宣布研制成功出中国首个纯石墨烯粉末产品—柔性石墨烯散热薄膜。

4.2 触摸面板

现有手机触摸屏的工作层中不可缺少的材料为陶瓷材料氧化铟锡（ITO）。由于其透明性与导电性的优秀结合，ITO被广泛地应用于电子器件。虽然石墨烯透明导电薄膜的研究还在初期阶段，但是石墨烯在许多方面比ITO具有更多潜在的优势，例如质量、坚固性、柔韧性、化学稳定性、红外透光性和价格等。因此采用石墨烯制备透明导电薄膜是很有前景的一项工作。

图13 石墨烯触摸屏

2013年1月24日，中科院重庆研究院正式公开宣布，该院已经在铜箔衬底上生长出15英寸的均匀单层石墨烯，并成功将其完整地转移到柔性PET衬底上和其他基底表面，并且通过进一步应用，还制备出了7英寸的石墨烯触摸屏。

4.3 超级电容器

石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。石墨烯由于其良好的导电性、高比表面积、优异的柔韧性、良好的机械性能迅速引起了超级电容器研究人员的强烈兴趣。

图14 石墨烯超级电容器示意图

石墨烯的用处非常广泛，还可以用于晶体管、光电探测器、光调制器、太阳能电池、锂电池、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。

作者：L-things

参考文献

[1]王彦. 石墨烯的制备及其在聚合物复合材料中的应用[D]. 上海交通大学, 2012.

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[3]杨少林. 石墨烯三维结构制备与应用[D]. 中国科学技术大学, 2014.

[4]于小雯, 石高全. 石墨烯/高分子复合薄膜的制备及应用[J]. 高分子学报, 2014(7):885-895.