单层石墨材料
单层石墨烯的结构与电子性质分析
单层石墨烯的结构与电子性质分析单层石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有独特的结构和优异的电子性质。
本文将分析单层石墨烯的结构和电子性质。
首先，让我们来了解单层石墨烯的结构。
单层石墨烯由一个由碳原子构成的平面形成，碳原子呈蜂巢状排列。
每个碳原子与其周围的三个碳原子形成共价键，形成了六边形的结构。
这种结构使得单层石墨烯具有非常高的结构稳定性和机械强度。
单层石墨烯的结构还有一个重要的特点，即碳原子之间的共价键是sp2杂化的。
这种杂化使得单层石墨烯中的碳原子形成了一个平面结构，将电子束缚在碳原子周围。
由于sp2杂化的存在，单层石墨烯可以形成一个紧密结构，使得电子在材料内部传输时几乎没有阻碍。
接下来，我们来看看单层石墨烯的电子性质。
由于其特殊的结构，单层石墨烯具有许多引人注目的电子性质。
首先是它的导电性。
由于单层石墨烯中碳原子形成的平面结构，电子可以在平面内自由运动，导致单层石墨烯具有非常高的电导率。
实际上，单层石墨烯是已知最好的导电材料之一。
除了高导电性外，单层石墨烯还具有其他重要的电子性质。
其中之一是它的载流子行为。
在单层石墨烯中，电子和空穴的传输是线性的，即它们的速度与能量成正比。
这种线性行为使得电子在单层石墨烯中具有非常高的迁移率，这对于电子学器件的应用非常重要。
此外，单层石墨烯还具有许多其他的电子性质，如量子霍尔效应和量子电容效应。
量子霍尔效应是指在低温下，单层石墨烯表现出整数和分数的量子霍尔效应，这表明单层石墨烯具有拓扑绝缘体的特性。
量子电容效应则是指单层石墨烯的电容可以通过加入外部电场调控，这对于电子学器件的控制非常重要。
总的来说，单层石墨烯是一种具有独特结构和优异电子性质的材料。
其结构稳定性和高导电性使得单层石墨烯具有广泛的应用前景，例如电子学器件、能源存储和传感器等领域。
然而，由于单层石墨烯的制备和操控仍面临许多挑战，因此仍需要进一步的研究来实现其实际应用。
石墨烯材料简介
石墨烯材料简介在构成纳米材料的众多元素中，碳元素值得我们格外重视。
作为自然界中性质最为奇特的元素，碳（C）在原子周期表中的序号为六，属于第Ⅳ族。
碳原子一般是四价的，最外层有4个电子，可与四个原子成键。
但是其基态只有两个单电子，所以成键时总是要进行杂化。
由于较低的原子序数，碳原子对外层电子的结合力强，表现出较高的键能，容易形成共价键，故自然界中碳元素形成的化合物形式丰富多彩。
关于碳与碳原子之间或碳与其它原子间以共价键相结合，有杂化轨道和分子轨道的理论。
在形成共价键过程中，由于原子间的相互影响，同一个原子中参与成键的几个能量相近的原子轨道可以重新组合，重新分配能量和空间方向，组成数目相等的，成键能力更强的新的原子轨道，称为杂化轨道。
在有机化合物中，碳原子的杂化形式有三种：sp3、sp2和sp杂化轨道。
以甲烷分子（CH4）为例，碳原子在基态时的电子构型为1S22S22Px12Py12Pz0按理只有2px和2py可以形成共价键，键角为90°。
但实际在甲烷分子中，是四个完全等同的键，键角均为109°28′。
这是因为在成键过程中，碳的2s轨道有一个电子激发到2Pz轨道，3个p轨道与一个s轨道重新组合杂化，形成4个完全相同的sp3杂化轨道。
每个轨道是由s/4与3P/4轨道杂化组成。
这四个sp3轨道的方向都指向正四面体的四个顶点，轨道间的夹角是109°28´。
得益于碳原子丰富多样的键合方式和强大的键合能力，氧、氢、氮等各种元素被有机的组合在一起，形成碳的化合物，最终构成了令人惊叹的生命体。
碳元素广泛存在于自然界，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。
由于碳原子之间不同的杂化方式，能形成结构和性质迥异的多种同素异型体，其中最为人知的存在形式是金刚石和石墨。
当每个碳原子与四个近邻碳原子以共价键结合（sp3杂化）时，形成各向同性的金刚石。
此时，四个价电子平均分布在四个轨道中，形成稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。
单层石墨烯
单层石墨烯石墨烯是一种由碳原子形成的二维结构的碳材料，可以被视为一个厚度仅有0.33nm的单层碳原子的气动片。
石墨烯具有高度密集的碳原子层，每个碳原子都以六边形的状况被其它五个碳原子所环绕，整体形状是一个长方形，被称作“卷心菜”状。
此外，由于具有双重共价键构造，使其具有高强度和高热稳定性，可以用来制作许多新型先进材料。
二、单层石墨烯的结构特征单层石墨烯具有独特的结构特征，它本质上是一个厚度仅为0.33nm的单层碳原子的气动片。
每个碳原子以六边形的形式紧密地相连，且具有强烈的sp2共价键，形成了有晶体结构的二维矩阵。
这种层间碳键的特殊结构，使得单层石墨烯具有极好的机械强度，密度为2.3g/cm3，优于一般的金属和陶瓷，同时还具有良好的电学性质，电阻率低，散热快，热稳定性好，以及优良的化学稳定性。
因此，单层石墨烯有望成为新型先进材料中应用最广泛的材料之一。
三、单层石墨烯的应用单层石墨烯的应用非常广泛，可以应用于多种新型先进材料。
石墨烯可以用于制造超强复合材料、精密电子设备、柔性显示器、先进传感器以及多功能智能材料等。
例如，石墨烯可以用于制造超强复合材料，具有高强度、高热稳定性和高抗拉伸性的材料，可用于制造航空和航天装备、防弹衣、多功能智能材料等。
此外，石墨烯还可以用于制造电子设备、柔性显示器、先进传感器以及新型能源器件等，这些产品的性能超过了传统材料。
四、结论单层石墨烯是一种具有独特结构的碳材料，可以用于制作新型先进材料。
单层石墨烯具有高强度、高热稳定性和高抗拉伸性的材料，还有良好的电学性质、散热快，热稳定性好，以及优良的化学稳定性。
因此，单层石墨烯有望成为新型先进材料中应用最广泛的材料之一，有望在航空和航天装备、电子设备、多功能智能材料等方面大有可为。
石墨的原材料分类
石墨的原材料分类石墨是一种具有黑色金属光泽的矿物，具有良好的导电性和导热性。
它的主要原材料是天然石墨矿石，以及通过化学方法生产的人工石墨。
天然石墨矿石是石墨的最主要原材料，主要产地有中国、印度、巴西、加拿大和斯里兰卡等地。
天然石墨矿石主要分为晶体石墨、颗粒石墨和鳞片石墨三类。
晶体石墨是由石墨化合物矿物质组成的石墨矿石，其晶体结构呈六方对称。
它的主要成分是石墨的晶格结构，具有较高的石墨含量和较好的导电性能。
颗粒石墨是由微小颗粒状石墨结晶组成的石墨矿石，其晶粒尺寸一般在0.1~1毫米之间。
颗粒石墨的石墨含量较晶体石墨较低，但由于其颗粒结构的特殊性，使得其在一些特殊材料的制备中有特殊的应用。
鳞片石墨是由大块片状的石墨结晶组成的石墨矿石，其晶片尺寸一般在1~30毫米之间。
鳞片石墨的石墨含量相对较低，但其颗粒间有许多间隙，使得其在石墨酸化法和开发膨胀石墨等方面具有独特的应用价值。
除了天然石墨矿石，人工石墨也是石墨的重要原材料之一。
人工石墨是通过化学方法将碳材料转化为石墨的一种人工制备材料。
其中最常见的方法是高温炭化法和化学气相沉积法。
高温炭化法是将有机物或无定形碳材料，如煤焦、焦炭、石墨烯等，在高温下进行加热处理，从而使其逐渐转变为石墨。
该方法制备的人工石墨具有良好的导电性能和热稳定性。
化学气相沉积法是将碳源化合物通过气相反应，在特定的条件下沉积在基底上形成石墨。
该方法制备的人工石墨可具备高纯度、高结晶度和大面积的特点。
综上所述，石墨的原材料主要分为天然石墨矿石和人工石墨两类。
天然石墨矿石主要包括晶体石墨、颗粒石墨和鳞片石墨，而人工石墨则是通过化学方法将碳材料转化为石墨。
这些原材料的不同特性和适用性使得石墨在各个领域有着广泛的应用，如铅笔芯、电化学电容器、电极材料、润滑剂等。
石墨烯性能简介
第一章石墨烯性能及相关概念1 石墨烯概念石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。
但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。
单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。
完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比表面积高达2.6×102m2 /g。
石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m•K))和力学性能(1.06×103 GPa)。
此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 / (V·s)。
石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。
石墨烯结构图2 石墨烯结构石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片，由sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。
石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm。
每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。
垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。
石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。
形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。
在单层石墨烯中，每个碳原子通过sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。
单层石墨烯厚度仅0.35nm ，约为头发丝直径的二十万分之一。
石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧。
受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。
人造石墨的分类
人造石墨的分类石墨是一种具有层状结构的矿石，由碳元素组成，具有良好的导电性和导热性。
人造石墨是通过人工合成和处理而得到的一种材料，具有多种分类。
本文将以人造石墨的分类为标题，介绍人造石墨的不同类型及其特点。
一、粉末石墨粉末石墨是一种由石墨颗粒组成的粉末状材料。
它具有良好的润滑性和导电性，常用于制造润滑剂、导电涂层和导电胶粘剂等。
粉末石墨的颗粒大小可以根据需要进行调整，从而满足不同应用的要求。
二、颗粒石墨颗粒石墨是由石墨颗粒形成的块状材料。
它通常用于制造石墨电极、石墨模具等。
颗粒石墨具有良好的导电性和耐高温性能，可以在高温环境下稳定工作。
同时，颗粒石墨还具有较高的机械强度和耐磨性，能够满足一些特殊工艺要求。
三、石墨纤维石墨纤维是一种由石墨层片组成的纤维状材料。
它具有轻质、高强度和高模量等优良特性，常用于制造航空航天领域的复合材料、高性能导热材料等。
石墨纤维可以通过化学气相沉积法和热解石墨化法等方法制备，具有较高的纯度和均匀的结构。
四、膨胀石墨膨胀石墨是一种经过特殊处理的石墨材料，具有较低的密度和高的膨胀率。
膨胀石墨在高温下可以迅速膨胀，形成多孔的结构，具有良好的隔热性能。
因此，膨胀石墨常被用作隔热材料、填充材料和吸附剂等。
膨胀石墨的膨胀率可以根据需要进行调整，以满足不同应用的要求。
五、石墨烯石墨烯是一种由单层石墨原子组成的二维材料，具有高度的导电性、导热性和机械强度。
石墨烯具有许多独特的物理和化学性质，被广泛应用于电子器件、传感器、储能材料等领域。
石墨烯的制备方法包括机械剥离法、化学气相沉积法和还原氧化石墨烯等。
六、石墨砖石墨砖是一种由石墨颗粒和粘结剂组成的块状材料。
石墨砖具有较高的耐火性和导热性能，常用于高温炉窑的内衬材料。
石墨砖可以通过压制、烘干和烧结等工艺制备，具有良好的耐磨性和抗侵蚀性。
以上是人造石墨的一些常见分类及其特点。
不同类型的人造石墨在不同领域具有广泛的应用，为人们的生产和生活提供了便利。
石墨烯
石墨烯1、石墨烯的物理性质石墨烯（Graphene），又称单层石墨，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。
石墨烯（Graphene）是由单层的碳原子紧密排列成二维的蜂巢状六角格子的一种物质。
和金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管还有无定形碳一样，它是一种单纯由碳元素构成的物质（单质）。
如下图1所示，富勒烯和碳纳米管都可以看成是由单层的石墨烯依照某种方式卷成的，而石墨正是由很多层石墨烯堆叠成的。
利用石墨烯来描述各种碳单质（石墨、碳纳米管和石墨烯）性质的理论研究持续了近六十年，但是普遍认为这样的二维材料是难以稳定地单独存在的，只有依附在三维的衬底表面或者在像石墨那些的物质内部。
直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，关于石墨烯的研究才获得了新的发展。
两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。
因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。
由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。
石墨烯石墨烯晶体图1 富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的，而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的。
石墨烯结构图
石墨烯时代
任正非在接受媒体采访时声称，未来10 至20年内会爆发一场技术革命，“我认为 这个时代将来最大的颠覆，是石墨烯时代 颠覆硅时代”，“现在芯片有极限宽度， 硅的极限是七纳米，已经临近边界了，石 墨是技术革命前沿”。这里提到的石墨烯。
元年到来
中国石墨烯产业技术创新战略联盟率领贝特 瑞、正泰集团、常州第六元素、亿阳集团等四家 上市公司的代表参加了西班牙的石墨烯会议，并 分别与意大利、瑞典代表团签订了深度战略合作 协议，为“石墨烯全球并购，中国整合”战略打 响了第一枪。此外，2015年3月初全球首批3万部 量产石墨烯手机在重庆发布，开启了石墨烯产业 化应用的新时代。石墨烯入选“十三五”新材料 规划已经基本落定，预计2015年将成为中国石墨 烯产业爆发元年
问题
• 15．阅读选文第③——⑦段，说说文章主要介绍了石墨烯 的哪三方面内容？（3分） • 16.为什么说石墨烯是未来材料的宠儿？（5分） • 17.阅读下面材料，借助上文中的相关知识，简要分析如 何解决锂电池的容量提升遇到的技术瓶颈问题。（5分） • 【链接材料】 • 当前，锂电池被广泛应用在手机、平板电脑、笔记本电脑、 可穿戴电子设备、电动汽车等众多产品中。正常使用下， 一个２５００毫安时的锂电池往往撑不过一天，因此业界 一直在努力实现电池容量的突破，但锂电池的容量提升在 目前已经遇到技术瓶颈。
石墨烯结构图
石墨烯手机
什么是石墨烯？
• 石墨烯（Graphene）是一种二维碳材料，是单层石墨烯、 双层石墨烯和少层石墨烯的统称。石墨烯一直被认为是假 设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻 斯特大学物理学家安德烈· 海姆(Andre Geim)和康斯坦 丁· 诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，成功地在实验中 从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也 因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年 诺贝尔物理学奖。并且，石墨烯在自然界也有产出，它体 现为高能物理状态下的圈量子的粒子态相。
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横空出世的单层石墨材料作者：吴中乐谈到单层石墨材料当然无法避免地涉及2010年诺贝尔物理学奖的获得者。
2010年，因“研究二维材料石墨烯的开创性实验”,诺贝尔物理学奖的至高荣誉由现任英国曼彻斯特大学教授的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，因“研究二维材料石墨烯的开创性实验”而共享。
他们6年前制成的石墨烯已迅速成为物理学和材料学的热门话题，现在是世界上最薄的材料，仅有一个原子厚。
许多诺贝尔奖候选成果仍然在经受时间及后人检验，但石墨烯却在出现6年之内荣登宝座，评审委员会认为，它“有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破”，还将极大促进汽车、飞机和航天工业的发展。
这个从铅笔芯中得来的发现，被看作最有可能改写未来世界电子产业的因素。
短短的6年里，单层石墨才崭露头角，却已成了21世纪的宠儿，原因又何在呢？个中的原因，自然离不开它的发现与其种种优异的性能。
单层石墨材料的发现才衍生出了巨变，它的发现又是一件有有趣的故事。
平时我们所见到的石墨都是一层一层堆起来的，我们也知道石墨的每一层是以C原子间的共价键连接的，非常稳定；而层与层之间是以原子间作用力连接，因此层与层之间的相互作用就很弱，因此石墨被作为固体润滑剂。
既然石墨层与层之间作业很弱，那么从石墨里分出一层应该是可以实现的，但是如果分出来的单层石墨是准二维晶体材料，那么根据1934年Peierls提出的理论，它就不能稳定存在。
就算是长程有序的晶体，也会因为长的波长起伏而受到破会[1]。
因此，人们一直以为单层的石墨晶体不可能稳定地存在。
但是2004年却改变了人们的这一认识——曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov用胶带子逐层地得到了单层石墨。
就这样，单层石墨横空出世。
单层石墨材料的发现给世人带来了惊喜，人们自然会不余遗力的研究这一重大成。
单层石墨材料的定义，自然得到了快速的解决。
首先说单层石墨的结构，单层石墨的结构和石墨里的每单层的结构是一样的。
C原子的核外电子排布是1S22S22P2，和其它C原子结合时以ＳＰ２杂化，这样形成３个杂化轨道，和另外的３个Ｃ原子结合，这样就可以推算单层石墨的结构就是无数个重复的六边形结构构成的无限延伸的蜂窝。
杂化后，还有另外的多余的一个２Ｐ电子就形成大π键，因此单层石墨有很好的导电性，并且由于这些单电子的存在，它还容易吸附其它的原子，如Ｈ，ＯＨ等，这样它就会有其它扩展性的性质，拓宽了它的应用。
上面也会说到了，准二维的单层石墨不会稳定地存在，那么既然单层石墨能稳定地存在，它就不会是准二维，那么它到底是什么样的形状呢？准二维的晶体材料由于它自身的热力学不稳定性而不能稳定地存在，那么单层石墨要稳定地存在就要降低它的表面能，那么怎么降低表面能呢？褶皱[2]，即纳米级别上的微观扭曲[3]！并且由此可以推出，随着石墨层数的增加，这种单层上的褶皱会减弱，因为形成多层石墨就不再需要出现褶皱来降低那么多的表面能了。
而褶皱也就是单层石墨的主要形态特征之一了。
优异的性质使得单层石墨材料备受宠爱，介绍了单层石墨材料的来历，它的性质显得尤为重要。
电学性质我们知道每一种物质都有相应的化学、物理和电学等性质，但每种物质的出现，人们的研究在每个阶段都会有不同的侧重点。
单层石墨也是一样，人们现阶段也是第一个阶段，侧重的至少是研究最深的是电学性质[4]，因为人们都看好因它的电学方面的优良性质而带来的重要应用。
那么它在电学性质上有什么突出的性质呢？就是它的电子移动速率，至少可以达到硅的100倍[5]。
试想把它应用于集成电路，那么新的集成电路的反应速度将会比现在的快上许多[6]。
另外，单层石墨的电学性质和其它的晶体有个很重要的区别，就是它的电子迁移速率几乎不受温度的影响[7]。
一般的晶体温度越高，晶格的震动就越强，从而使电子的迁移速率降低，既温度越高，电子的迁移速率就越低。
但由于单层石墨的晶格震动对电子的迁移速率影响很小，因此单层石墨的电子迁移速率几乎不受温度的影响。
物理性质以前在人们的认知里金刚石是世界上最硬的物质，也是导热性最好的物质。
但是单层石墨的出现改变了这个事实[8]——单层石墨比金刚石硬，导热性单层石墨比金刚石好！由于单层石墨中CC键很强，很不容易被破坏，因此它的机械性能很强；由于单层石墨就是一个大π键，它的导热性可以很好。
当然就是因为如此，人们现在还不知道单层石墨的熔点，也不知道它是如何溶化的[9]。
如此也可以想到一点，既然CC键那么强，当其它的分子或是原子想要通过单层石墨是很难的，因为第一，六个C原子构成的正六边形很小，第二，作用力很强，通过需要很大的能量。
由于这个性质也会有很多的重要应用。
不止如此，CC间的连接不止是强，还很柔韧：当受到强大的外力时，Ｃ原子表面会弯曲变形，这样一来，Ｃ原子就不用重新排列，ＣＣ键可以不断裂，这样单层石墨就会很牢固[10]。
化学性质正如上面提到的，人们现在对单层石墨的化学性质的研究还相对比较少。
但其中重要的一点就是上面提到的，由于它有个大π键，容易吸附其它的原子和分子，那么既然是吸附，并且是靠形成大π键的电子吸附，而单层石墨的超强的导电性也是因为这些电子，那么吸附后它的导电性肯定会大大降低，就可以形成一些低导电性的衍生物。
并且吸附不同的物质得到的物质会有不同的性质，这将是单层石墨的一片广阔的研究空间。
无限的潜力在于优良的品质，单层石墨材料有着硅难以企及的电子迁移速度，比金刚石还硬的物理特性，神秘莫测的化学特性：单层石墨材料前景一片光明。
2009年11月电源技术的新闻曾发表《单层石墨纸材料(Graphene)或能降低锂离子电池的成本》，天津大学化工院的杨全红和唐致远发表的《新型储能材料——石墨烯的储能特性及其前景展望》，他们都展示了单层石墨在储能领域的无限潜力。
研究人员通过设计一种简单的碳纳米管太阳电池来解决目前存在的问题。
当太阳电池被更高能量的质子撞击时，会产生成倍的电流，而不像以前多余的能量以热能的方式散发掉。
他们制造了一个微小的光电二极管，即一种简单的太阳电池。
它是将一个碳纳米管在两个电极之间连接，并接近两个电极，两个电极分别被充成正极和负极。
研究人员发现由于纳米管的结构非常细小，所以能迫使电子一个个的通过，这样能量较高的质子所剩余的能量会进一步的产生电子，从而使电池的能量转换过程更接近理想状态，这也是开发更高效率的太阳电池帆板的关键所在。
不幸的是目前的纳米技术还不成熟，没有达到规模生产，而且昂贵，所以要制造便宜、可靠的碳纳米管太阳电池还有待时日。
乐观者认为实现这一技术只是时间的问题。
Graphene———“单层石墨纸材料”是一种只有一个原子厚度的神奇材料，它是一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子。
在被科学家们描述为与“削铅笔”相似的过程中，使石墨爆裂成单独的原子面，于是Graphene 就产生了。
这些原子碎片异常的稳定，而且具有很高的弹性且十分坚固，同时传导性也极好。
单层石墨的电子迁移速度是人们梦寐以求的，既然已经被发现了，我们自然会竭其所能。
2011年8月1日，华强网报道《最薄单层石墨烯有望用作芯片制作材料》全球各地大学的研究人员都开始着眼于将单层石墨做成芯片，应用到新一代的电子设备中，例如，有的研究人员尝试着研发新型电脑触摸屏，在该触摸屏中用单层石墨芯片代替原有硅芯片。
诺沃肖洛夫教授和安德烈-海姆教授表示，该研究结果对于物理学来说是个很大的突破，对于未来的新一代电子应用程序来说则蕴含着非比寻常的意义，未来的单层石墨电子产品不再是梦想。
当然神奇的“单层石墨材料”不会仅限于这点才能。
旨在应用石墨烯的研发机会也在全球范围内急剧增加。
石墨烯或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。
能够承载汽车的吊床：单层石墨烯的厚度非常薄，只有一个碳原子厚，约为0.34nm。
但强度却与金刚石相当，非常坚硬。
瑞典皇家科学院（Royal Swedish Academy of Sciences）在发表2010年物理学奖时曾这样比喻其强度，“利用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4kg的兔子”。
还有估算显示，如果重叠石墨烯薄片，使其厚度与食品保鲜膜相同的话，便可承载2吨重的汽车。
石墨烯用作电子器件材料会带来更大效果。
单层石墨烯中的电子与空穴（Hole）载流子迁移率有望在室下最大达到硅（Si）的100倍即20万cm2/Vs。
这一数值远远超过以往被认为载流子迁移率最大为7.7万cm2/Vs的锑化铟（In）。
而石墨烯室下的电阻值却只有铜（Cu）的2/3。
人们还发现，石墨烯可耐受1亿～2亿A/cm2的电流密度，这是铜耐受量的100倍左右。
载流子迁移速度很快，可达到光的1/300。
传热率与金刚石相当，再加上其薄片形状，所以石墨烯作为划时代的散热材料备受期待。
有望实现超高速FET及激光器：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对象，研发新一代器件的实用化（图2）。
主要开发对象之一是利用石墨烯的高载流子迁移率及高迁移速度制作的THz频率的晶体管。
理论上估计其工作频率可达到10THz。
图2：应用领域从原子尺寸扩大到宇宙石墨烯的用途分为特殊尺寸用途，电子器件用途及构造体用途。
部分用途与CNT重叠。
美国IBM与韩国三星尖端技术研究所（SAIT）分别在2010年12月举行的半导体制造技术相关国际会议“2010 IEEE International ElectronDevices Meeting （IEDM 2010）”上发布了通道层使用石墨烯的高速动作型RF电路用FET（电场效应晶体管）。
IBM的石墨烯FET的最大截止频率高达240GHz。
另外，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）已于2010年9月发布截止频率达到300GHz的石墨烯FET 要超越截止频率达到600GHz以上的化合物半导体HEMT（高电子迁移率晶体管），两公司发布的石墨烯FET的性能还无法充分满足要求。
不过，IBM的石墨烯FET的截止频率提高得很快，2008年12月只有26GHz，2009年6月达到50GHz，2010年2月提高至100GHz，此次则达到了240GHz。
在不久的将来，石墨烯FET的性能很可能会达到甚至超过HEMT的同等水平。
石墨烯还能用来制造激光元件。
日本东北大学电气通信研究所教授尾辻泰一的研究小组，目前正以利用石墨烯开发超高输出功率的超短脉冲激光元件为目标推进相关研究。
据该大学介绍，其关注点是，石墨烯采用电子与正孔对称的能带构造，而且具备容易实现较大载流子密度的性质。
优先推进微细化不过，目前已实用化的绝大部分石墨烯FET为放大器及高灵敏度气体传感器元件等RF电路用FET。
逻辑电路用FET尚未面世。