石墨烯材料的介绍

石墨烯（Graph ene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。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，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10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，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。

石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。

石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42?。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。

石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。

石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管；另外石墨烯还被做成弹道晶体管（ballistic transistor）并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月，佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路.

石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子场论才能描绘。

石墨烯是一种二维晶体，人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。发展简史。第一：石墨烯是世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它会能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二：石墨烯是世界上导电性最好的材料。

石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。

2研究历史

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石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后把薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，把石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。

3分子结构

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石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构, 它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三维(3D)

的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。

石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是最理想的二维纳米材料.。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。

4材料区别

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碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣。自富勒烯和碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片层结构一直以来是研究的一个热点。石墨本体并非是真正意义的二维材料，单层石墨碳原子层(Graphene)才是准二维结构的碳材料。石墨可以看成是多层石墨烯片堆垛而成，而前面介绍过的碳纳米管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。当石墨烯的晶格中存在五元环的晶格时，石墨烯片会发生翘曲,富勒球可以便看成通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的。

5材料特性

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电子运输

石墨烯在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）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。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。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，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。

石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导=2e2/h,6e2/h,10e2/h.... 为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。

导电导热特性

石墨烯结构非常稳定，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。

石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

加州大学河滨分校（UCRiverside）的Alexlander Balandin教授及其研究小组成员应用拉曼光谱偏移测量手段，测得悬空的单层石墨烯在室温下可拥有4840 W/mK 的高热导率。石墨烯的高热导率特性也进一步支持石墨烯作为新电子器件材料的应用前景。

机械特性

石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中，他们选取了一些直径在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是把这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。

研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它会能承受大约两吨重的物品。

电子的相互作用

利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。

科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源（ALS）”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。

化学性质

关于石墨烯化学知道的是：类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍：缺乏适用于传统化学方法的样品。这一点未得到解决，研究石墨烯化学会面临重重困难。

记忆效应

质谱测定中的记忆效应表现为一次涂样测定的结果受到残存在离子源内测定过的同种样品的影响，当前后样品的待测同位素丰度相差越大时，记忆效应带来的影响也越大。在热电离质谱测定中，记忆效应主要由石墨烯表面吸附和样品沉积两种因素引起。有些活性强的化合物的蒸气与离子源内表面接触时会被吸附，吸附量的多少除了与化合物的性质有关外，还与离子源内表面的材料及光洁度有关。

当长期工作以后，样品蒸气在离子源内表面的沉积会越来越多，特别是在源的出口缝及离子光学透镜的狭缝处，如果在高温下工作，沉积在离子源内表面的样品会受热再次蒸发而被电离，影响测定结果的准确性。另外一种情况，虽然测定的元素与离子源已沉积的元素

不一样，但它们是同质异位素，这样离子源内表面的沉积也会对测定结果带来影响。记忆效应的强弱与所采用的样品化合物的形式有关，如进行锂同位素测定时，采用不同锂化合物凃样，定量测定的记忆的锂量相差很大，其中以LiF的记忆效应最强。

6制备方法

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石墨烯的研究热潮也吸引了国内外材料制备研究的兴趣，石墨烯材料的制备方法已报道的有：机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等。

微机械剥离法

2004年，Geim等首次用微机械剥离法，成功地从高定向热裂解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)上剥离并观测到单层石墨烯。Geim研究组利用这一方法成功制备了准二维石墨烯并观测到其形貌，揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产要求，只能作为实验室小规模制备。

化学气相沉积法

化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)首次在规模化制备石墨烯的问题方面有了新的突破(参考化学气相沉积法制备高质量石墨烯)。CVD法是指反应物质在气态条件下发生化学反应,生成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工艺技术。

麻省理工学院的Kong等、韩国成均馆大学的Hong等和普渡大学的Chen等在利用CVD法制备石墨烯。他们使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉，通入含碳气体，如：碳氢化合物，它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面,形成石墨烯，通过轻微的化学刻蚀，使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。这种薄膜在透光率为80%时电导率即可达到1.1×106S/m，成为透明导电薄膜的潜在替代品。用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯，但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵，这可能是影响石墨烯工业化生产的重要因素。CVD法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。

氧化还原法

氧化-还原法制备成本低廉且容易实现，成为制备石墨烯的最佳方法，而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题。氧化-还原法是指把天然石墨与强酸和

强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO)，经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。

氧化-还原法被提出后，以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯的最简便的方法，得到广大石墨烯研究者的青睐。Ruoff等发现通过加入化学物质例如二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠(NaBH4)和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基团，就能得到石墨烯。氧化-还原法可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯难以分散在溶剂中的问题。

氧化-还原法的缺点是宏量制备容易带来废液污染和制备的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷，这些会导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制。

溶剂剥离法

溶剂剥离法的原理是把少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力，此时溶剂可以插入石墨层间，进行层层剥离，制备出石墨烯。此方法不会像氧化-还原法那样破坏石墨烯的结构，可以制备高质量的石墨烯。在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的产率最高(大约为8%)，电导率为6500S/m。研究发现高定向热裂解石墨、热膨胀石墨和微晶人造石墨适合用于溶剂剥离法制备石墨烯。溶剂剥离法可以制备高质量的石墨烯，整个液相剥离的过程没有在石墨烯的表面引入任何缺陷，为其在微电子学、多功能复合材料等领域的应用提供了广阔的应用前景。缺点是产率很低。

溶剂热法

溶剂热法是指在特制的密闭反应器(高压釜)中，采用有机溶剂作为反应介质，通过把反应体系加热至临界温度(或接近临界温度)，在反应体系中自身产生高压而进行材料制备的一种有效方法。

溶剂热法解决了规模化制备石墨烯的问题，同时也带来了电导率很低的负面影响。为解决由此带来的不足，研究者把溶剂热法和氧化还原法相结合制备出了高质量的石墨烯。Dai等发现溶剂热条件下还原氧化石墨烯制备的石墨烯薄膜电阻小于传统条件下制备石墨烯。溶剂热法因高温高压封闭体系下可制备高质量石墨烯的特点越来越受科学家的关注。溶剂热法和其他制备方法的结合会成为石墨烯制备的又一亮点。

其它方法

石墨烯的制备方法还有高温还原、光照还原、外延晶体生长法、微波法、电弧法、电化学法等。笔者在以上基础上提出一种机械法制备纳米石墨烯微片的新方法，并尝试宏量生产石墨烯的研究中取得较好的成果。如何综合运用各种石墨烯制备方法的优势，取长补短，解决石墨烯的难溶解性和不稳定性的问题，完善结构和电性能等是今后研究的热点和难点，也为今后石墨烯的制备与合成开辟新的道路。

7技术发展

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美国能源部国家直线加速器实验室（SLAC）和斯坦福大学的一项研究首次揭示了石墨烯插层复合材料的超导机制，并发现一种潜在的工艺能使石墨烯这个具有广阔应用前景的“材料之王”获得人们梦寐以求的超导性能。该研究有助于推动石墨烯在超导领域的应用，开发出高速晶体管、纳米传感器和量子计算设备。相关论文发表在2014年3月20日出版的《自然通讯》杂志上。

石墨烯是一种呈蜂巢状排列的单层碳原子结构，是已知的最薄、强度最高的物质，具有优良的物理化学性能。科学家希望用石墨烯制成高速晶体管、传感器乃至透明电极。此前，人们就已知道掺杂金属原子的石墨烯插层材料具有二维超导性能。但科学家们一直无法确定超导性是来源于金属、石墨烯还是两者兼而有之。新研究首次通过令人信服的证据，证明了是石墨烯在其中起到了关键作用。为相关材料在纳米级电子器件领域的应用铺平了道路。

物理学家组织网2014年3月21日的报道中称，研究人员是通过强紫外线对一种名为钙插层石墨烯（CaC6）的材料进行研究后得出上述结论的。CaC6是纯钙晶体与石墨发生化学反应所得到的石墨烯插层复合材料，由单层碳原子石墨烯和单层原子钙交替复合而成。

研究人员把一份来自英国伦敦大学学院（UCL）的CaC6样品在斯坦福同步辐射光源实验室（SSRL）进行了分析。高强度的紫外线能够帮助他们深入到材料内部进行观察，分清每层内的电子是如何运动的。实验显示，电子在石墨烯和钙原子层之间来回散射，与材料的原子结构发生自然振动并发生配对，从而获得了无电阻的导电性。

韩国研究人员在硅基底上成功合成了晶片级的高质量多层石墨烯。该方法基于一种离子注入技术，简单而且可升级。这一成果使石墨烯离商业应用更近一步。晶片级的石墨烯可能是微电子线路中一个必不可少的组成部分，但大部分石墨烯制造方法都与硅微电子器件不兼容，阻碍了石墨烯从潜在材料向实际应用的跨越。[2]

8应用前景

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纳电子器件方面

2005年，Geim研究组J与Kim研究组H 发现，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10 am /V·s)，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300 K下可达0.3 m)，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。

利用石墨烯加入电池电极材料中可以大大提高充电效率，并且提高电池容量。自我装配的多层石墨烯片不仅是锂空气电池的理想设计，也可以应用于许多其他潜在的能源存储领域如超级电容器、电磁炮等。此外，新型石墨烯材料不依赖于铂或其他贵金属，可有效降低成本和对环境的影响。

代替硅生产超级计算机

科学家发现，石墨烯还是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，一些电子设备，例如手机，由于工程师们设法把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。研究人员甚至把石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。

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，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。IBM的一个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。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。

基因电子测序

由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有望实现直接的，快速的，低成本的基因电子测序技术。

减少噪音

美国IBM 宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯(Graphene)”，试制成功了新型晶体管，同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f。石墨烯，试制成功了相同的晶体管，不过与预计的相反，发现能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音。噪声。

隧穿势垒材料

量子隧穿效应是一种衰减波耦合效应，其量子行为遵守薛定谔波动方程，应用于电子冷发射、量子计算、半导体物理学、超导体物理学等领域。传统势垒材料采用氧化铝、氧化镁等材料，由于其厚度不均、容易出现孔隙和电荷陷阱，通常具有较高的能耗和发热量，影响到了器件的性能和稳定性，甚至引起灾难性失败。基于石墨烯在导电、导热和结构方面的优势，美国海军研究试验室（NRL）将其作为量子隧穿势垒材料的首选。未来得石墨烯势垒有可能在隧穿晶体管、非挥发性磁性记忆体和可编程逻辑电路中率先得以应用。

其它应用

石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、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。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；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，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。

9发展趋势

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石墨烯2010年的诺贝尔物理学奖把石墨烯带入了人们的视线。2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通

过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯行业仍在量产摸索阶段，主要的制备方法有微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法和气相沉积法;其中氧化石墨还原法优于制备成本相对较低，是主要制备方法。

石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等，都需要良好的透明电导电极材料。特别是，石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良;氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。通过化学气相沉积法，可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的阳极，并得到高达1.71%能量转换效率;与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转换效率的

55.2%。作为新兴产业，前瞻网指出。石墨烯未来前途一片光明。

石墨烯特殊的结构形态，使其具备世界上最硬、最薄的特征，同时也具有很强的韧性、导电性和导热性。这些及其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间，未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。《"十二五"期间中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告》称石墨烯集合世界上最优质的各种材料品质于一身，故有业内人士如此评价：如果说20世纪是硅的世纪，石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元，会给世界带来实质性变化。

10诺贝尔奖

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石墨烯应用范围广阔。根据石墨烯强度超大，超薄的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超薄超轻型飞机材料，超轻防弹衣等。根据其优异的导电性，使它在微电子的领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来超级计算机，碳元素更高电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是优良的改性剂，在新能源领域如锂离子电池、超级电容器方面，由于其高传导性、高比表面积，可用于作为电极材料助剂

在2004年石墨烯出现在实验室中，当时，英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离石墨片，然后把薄片两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样的操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成薄片，

这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，把石墨烯带入工业化生产领域已为时不远了。因此，两人于2010年获得诺贝尔物理学奖。

他们曾是师生，现在是同事，他们都出生于俄罗斯，都曾在那里学习，也曾一同在荷兰学习和研究，最后他们又一起在英国制备出了石墨烯。这种神奇材料的诞生使安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。

海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯。这是世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚。与所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。此外，石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体，石墨烯比任何其他材料的导热效果都好。

海姆和诺沃肖洛夫认为，石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能，因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果要经得起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几十年后才颁发。而石墨烯材料的制备成功距今才6年时间，就获得了诺贝尔奖，这使诺沃肖洛夫感到意外。他说：“今天早上听说这个消息时，我非常惊喜，第一个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。”而海姆则表示，“我从没想过获诺贝尔奖，昨天晚上睡得很踏实”。

海姆认为，获得诺贝尔奖的有两种人：一种是获奖后就停止了研究，至此终老一生再无成果；一种是生怕别人认为他是偶然获奖的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成为第二种人，当然我会像平常一样走进办公室，继续努力工作，继续平常生活。”

11研究成果

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最小最快石墨烯晶体管

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%。

该晶体管的截止频率为155GHz，使得其速度更快的同时，也比IBM展出的100GHz 石墨烯晶体管具备了更多的能力。

IBM研究人员林育名表示，石墨烯晶体管成本较低，可以在标准半导体生产过程中表现出优良的性能，为石墨烯芯片的商业化生产提供了方向，从而用于无线通信、网络、雷达和影像等多个领域。

该晶体管的研制是IBM承接美国国防部高级研究计划局的任务，研发高性能无线电频率晶体管，军方对此很感兴趣。它尚未可完全用于PC机，因为自然石墨烯中缺少能隙，石墨烯晶体管不具备数码切换操作需要的开闭比，从而在处理离散数码信号方面不如传统处理器。

相比之下，石墨烯的连续能隙流使得其处理模拟信号的能力更强。通过使用IBM改良的“类金刚石碳”，石墨烯晶体管的温度稳定性更强。同时，它也是为止IBM最小的晶体管，选通脉冲宽度从550纳秒降到了40纳秒，而产品宽度为240纳秒。

2011年成果

2009年12月1日在美国召开的材料科学国际会议上，日本富士通研究所宣布，他们用石墨烯制作出了几千个晶体管。富士通研究所的研究人员把原料气体吹向事先涂有用做催化剂的铁的衬底，在这种衬底上制成大面积石墨烯薄膜。

大面积的石墨烯制备一直是个难题。富士通用上述方法制成了高质量的7.5厘米直径的石墨烯膜。在此基础上，再配置电极和绝缘层，制成了石墨烯晶体管。由于石墨烯面积较大，富士通在上面制成了几千个晶体管。石墨烯晶体管比硅晶体管功耗低和运行速度快，可制作出性能优良的半导体器件。如果改进技术后有望进一步扩大石墨烯面积，这样能够制作出更多的晶体管和石墨烯集成电路，为生产高档电子产品创造了条件。

2009年11月日本东北大学与会津大学通过合作研究发现，石墨烯可产生太赫兹光的电磁波。研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜，把红外线照射到石墨烯薄膜上，只需很短时间就能放射出太赫兹光。如果今后能够继续改进技术，使光源强度进一步增大，开发出高性能的激光器。

研究团队在硅衬底上使用有机气体制作一层碳硅化合物。然后，进行热处理，使其生长出石墨烯的薄膜。该石墨烯薄膜只需极短暂的时间照射红外线，就能从石墨烯上发送出太赫兹光。，该团队正致力于开发能把光粒封闭在内部，使光源强度增加的器件，期望能够开发出在接近室温条件下可工作的太赫兹激光器。

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。莱斯大学把石墨烯薄片与单层氦键合，形成石墨烷。石墨烷是绝缘体。氦使石墨烯由导体变换成为绝缘体。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。

全球最小光学调制器问世可高速传输信号一秒钟内下载一部高清电影指日可待

据美国媒体今晨报道，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，有望把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。这项研究是由加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室的张翔教授、王枫助理教授以及博士后刘明等组成的研究团队共同完成的，研究论文于2011年6月2日在英国《自然》杂志上发表。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。

华人科研团队把石墨烯铺展在一个硅波导管的顶部，建造出了这款能打开或关闭光束的光调制器（调制器是控制数据传输速度的关键），把电子信号转化成光学信号传输数字信息。铜导线长距离传输速度最高可达100兆，而每个石墨烯调制器的传输速度比铜导线快约千倍。如果把10个石墨烯调制器放在一起，传输速度可以达到百万兆，上网速度会比现在快1万倍。价廉物美是石墨烯调制器的另一优势，"市场上的光学调制器5250美元一个，而石墨烯调制器只需要几美元"。相对于现有调制器几个平方毫米的体积，这种石墨烯调制器还具有体积小的优势，只有25平方微米，且仅有头发丝的四百分之一细，它可以放在电脑主板上的任何位置。张翔教授表示，新石墨烯调制器不仅可用于消费电子产品上，还可用于任何受限于数据传输速度的领域，包括生物信息学以及天气预报等，未来也会广泛应用于工业领域。

低成本石墨烯电池或实现“一分钟充电”

据了解，美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备，可以把充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。该研究发表在出版的《纳米快报》上。作为导电性、机械性能都很优异的材料，素来有“黑金子”之称的石墨烯在中国市场上的价格近十倍于黄金，超过2000元/克。

新型石墨烯电池实验阶段的成功，无疑会成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛，而的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段，石墨烯储能设备的研制成功后，若能批量生产，则会为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。

首款手机用石墨烯电容触摸屏研制成功

1月8日，江南石墨烯研究院对外发布，全球首款手机用石墨烯电容触摸屏在常州研制成功。该成果经上海科学技术情报研究所和厦门大学查实，显示为国内首创。

江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技有限公司联合无锡丽格光电科技有限公司和深圳力合光电传感器技术有限公司共同研发的手机用石墨烯电容触摸屏项目，成功制成电容触摸屏手机样机，并完成了功能测试。这款透明到几乎用肉眼无法辨析的超级薄膜，具有现有智能手机触摸屏的基本功能，电容屏传感器整个触摸区域可以识别单指和双指触摸及进行画线动作，实现图片单指手势左右拖动及双指手势放大和旋转，而这只是石墨烯材料产品之一。

据此前相关报道称，石墨烯的相关产品在国外还处于研发和概念机阶段，尚未有大规模制造及商业化。而此次首款手机用石墨烯电容触摸屏的成功研制，表明了石墨烯产品从实验室逐步走向了市场。

石墨烯光电传感器

2012年8月，诺基亚的研发部门已经在着手研究石墨烯光电传感器，并且已经在美国专利和商标局注册了一项专利。

诺基亚石墨烯光电传感器原理

在公布的专利描述中，带有石墨烯光电收集层的光电探测器/像素，由一些列手指状的电极被安置在石墨烯收集层上，用来收集光子透过时产生的电子空洞，石墨烯纳米带作为场效应晶体管对随之产生的电流进行放大，并将其转移到相连的电子控制元件上。多层探测和放大层被互相叠放，以此来吸收和过滤相应颜色的光。

石墨烯作为光电传感器材料的优势就在于其透光性。这种单层的六边形碳原子材料仅仅吸收2.3%的光，并使所有光谱的光均匀地通过（红外线、可见光和紫外线）。因此，对于诺基亚的团队来说，这在光线不足的条件下肯定比传统的CMOS传感器具备更好的性能。同时，石墨烯传感器比传统传感器薄许多，因此你的下一个4100万像素的PureView手持设备肯定不会是像诺基亚808那样的大块头。此外，石墨烯传感器比的CMOS在生产工艺和流程方面更简单，造价更便宜。

的石墨烯生产由于种种原因，还仅停留于实验室阶段，而用石墨烯制造的传感器，也表现出了照片响应差、噪音多等问题。因此诺基亚或许会不断提升和研发这种石墨烯光电传感器的性能。

国内首片15英寸单层石墨烯问世

与现有手机触摸屏材料相比,石墨烯优点更多,被认为是世界上最薄、几乎完全透光、强度也最大的材料。,中科院重庆研究院正在与广东地区的风投机构商谈,力争让石墨烯在一年内实现量产。

你想用上屏幕可以来回弯曲折叠的手机吗?采用石墨烯材料,就可能变成现实。采用可折叠屏幕后,即使手机屏变得更大了,但携带起来还是很方便。从中科院重庆绿色智能技术研究院(简称中科院重庆研究院)了解到,该院已经成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯,这样的大尺寸,达到了国内最高水平。它或为手机、电脑等电子产品带来一场革命。

世界上最薄的纳米材料,透光性好,能折叠

据介绍,石墨烯是由碳原子组成的单原子层平面薄膜,可以作为制备新型触摸屏的核心部分――透明电极的材料。

与现有手机触摸屏材料相比,石墨烯优点更多,被认为是世界上最薄、几乎完全透光、强度也最大的材料。

它究竟薄到哪种程度?中科院重庆研究院微纳制造与系统集成研究中心副主任史浩飞解释,石墨烯只有0.34纳米厚,粗略估计一下,一根头发丝的直径,大概等于十万层石墨烯叠加起来的厚度,所以用肉眼是看不见它的。它自身只吸收约2.3%的光,能够做到几乎完全透光,让触摸屏亮度更好,同时,还能保证很高的电导率,这对于过去那些触摸屏材料来说,是难以同时解决的。“过去认为钻石热导率最高,但是石墨烯是它的2倍。”

值得一提的是,石墨烯还具备很好的柔性,也即是说,它在一定程度上可以弯曲折叠,不会对屏幕造成损害。

“从这些优点来看,石墨烯特别适合在电子信息产业中应用。像IBM、三星这些大企业,都相当关注它的发展。”史浩飞说。

成功制备7英寸的石墨烯触摸屏

据悉,自2004年被发现以来,如何解决大面积、高质量石墨烯制备和快速高效转移两大关键问题,让石墨烯应用于透明电极中,一直困扰着很多研究者。

“如果电阻触摸屏要采用这种材料,需要先在金属表面上催化生长石墨烯,再把它转移到适合的基底上,才能进行应用。”史浩飞告诉记者,这就相当于在一个足球场上铺一层薄薄的保鲜膜,要让它平平整整且完好无损,难度特别大。

据介绍,通过“石墨烯透明电极关键技术”研究,他们采用工业原料如塑料、液态苯等作为有效碳源,在300℃的低温下生长出高质量的石墨烯。

,中科院重庆研究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。

在中科院重庆研究院的实验室里,记者看到,研究人员把石墨烯触摸屏贴在一台普通笔记本电脑的显示屏上,调试完毕后,用手写笔就能轻松地在屏幕上写字。

新型石墨烯晶体管实现高开关比率

英国曼彻斯特大学的科研人员设计出一种新型石墨烯晶体管，在其中电子可借助隧穿和热离子效应，同时从上方和下方穿越障碍，并在室温下展现出高达1×106的开关比率。

石墨烯晶体管获得较高的开关比率一直难以实现，而有了高开关比，以及其在柔性、透明基板上的操作能力，新型晶体管能够在后CMOS设备时代占有一席之地，并有望达到更快的计算速度。相关研究发表在出版的《自然·纳米技术》杂志上。

石墨烯晶体管多具有三明治结构，以原子厚度的石墨烯作为外层，而以其他超薄材料作为中间夹层。这些中间层可以囊括多种不同材料。在此次的研究中，科学家使用二硫化钨（WS2）作为中间层，其能够作为两个石墨烯夹层之间原子厚度的壁垒。与其他壁垒材料相比，二硫化钨的最大优势在于，电子可借助热离子运输方式从上方越过障碍，也可利用隧穿效应从下方穿过障碍。处于关闭状态时，极少电子能借助上述方式穿越障碍，但当调至开启状态时，电子既能选用一种方式逾越壁垒，亦能同时选择两种方式以实现类似效果。

开关间切换会改变晶体管的栅电压。负栅电压会形成关闭状态，因为其会增加隧穿障碍高度，因此几乎没有电子能够越过壁垒。而正栅电压能通过降低隧穿障碍的高度使晶体管转换至开启状态。同时，如果温度足够高，亦可借助热离子电流从上方越过壁垒。在低电压和低温的情况下，隧穿电流与电压呈线性关联。但当处于高压下时，隧穿电流会随电压呈现指数增长，此时热离子电流就会成为主要的传输机制。

利用上述特质和二硫化钨壁垒材料，新晶体管成为性能最佳的石墨烯晶体管之一。此外，由于仅具有几个原子层的厚度，新型晶体管能够耐受弯曲，未来更有望应用于柔性、透明电子设备的制造，成为后CMOS设备时代的有力备选。

碳海绵：碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙的三维多孔材料

2013年3月，浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶――它刷新了世界上最轻材料的纪录，弹性和吸油能力令人惊喜。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克，仅是空气密度的1/6。它的价值在于其简便的制备方法，以及材料所展现出来的优越性能。不需要模板，只与容器有关。容器多大，就可以制备多大，可以做到上千立方厘

米，甚至更大。

“碳海绵”具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”的吸收量是250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有机物的速度极快：每克这样的“碳海绵”每秒可以吸收68.8克有机物。

纯石墨烯粉末制成柔性散热薄膜

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。此次发布的中国首个石墨烯粉末应用产品“柔性石墨烯散热薄膜”，由贵州新碳高科有限责任公司研发和生产，由上海新池能源科技有限公司提供稳定的、量产规模的石墨烯粉末。新碳高科建立了年产2万平米生产线，已成功生产1000平方米石墨烯柔性散热薄膜产品。该产品采用了单片厚度1-5个原子层，横向尺寸0.5-5微米，比表面积500-1000m/g的高质量石墨烯粉末，通过制备高浓度不团聚的石墨烯溶液，利用辊涂技术（Roll to Roll）形成有良好定向性的石墨烯微片层状结构，然后在高温特定气氛下还原，使石墨烯微片边缘晶粒长大，最后扩展成为大面积连续二维结构的石墨烯柔性散热薄膜。产品热扩散率达到700-900M2/S，热导率在800-1600W/（mk）。其散热效果比常用的散热材料铜（热导率429W/（mk）要提高2-4倍，而且具有良好的可加工性能。

南开大学研制成功石墨烯材料可用光驱动飞行

2015年6月，南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授领导的科研团队经过3年的研究，获得了一种特殊的石墨烯材料，这种材料可在包括太阳光在内的各种光源照射下驱动飞行，其获得的驱动力是传统光压的1000倍以上，“光动”飞行或将成为可能。

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12规模生产

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全球首条石墨烯生产线慈溪开工，在慈溪市慈东滨海区，年产300吨石墨烯项目正紧锣密鼓筹建中。不久之后，这里会出现全球第一条石墨烯生产线。

受此影响，21日石墨烯概念股受到追捧，华丽家族早间涨停，一度触及涨停的工大高新也有近9%的涨幅，中钢吉炭、中国宝安、金路集团等概念股均有不同程度涨幅。

“石墨烯是世界上已发现的最、最坚硬的纳米材料，它不但可以用来开发制造纸片一样的超轻型飞机材料，还能做出超坚韧的防弹衣。”宁波墨西科技有限公司总经理林立新兴奋地说，据保守估计，这种材料仅替代市场的潜力就有数十亿甚至上百亿元。

历时三年成功研制石墨烯产业化项目

石墨烯2008年10月，从美国纽约州立大学博士后毕业的刘兆平，应聘进入中科院宁波材料所，领衔攻关制备石墨烯的新技术。他还给自己刚出生的女儿取名“刘墨希”。

这个项目吸引了众多宁波民营企业的目光，他们有的已经尝到新材料产业的甜头，有的希望借石墨烯项目拓展到新材料领域，有的想通过引进石墨烯技术提升自身产品品质。

当时，刘兆平团队的石墨烯项目尚停留在实验阶段，距离产业化还有一段不短的路。正是这段看似坎坷的路，让素以“稳健”和“精明”著称的宁波民企开始怯步。

“石墨烯项目市场前景确实很好，但是能不能等你们技术成熟后，再转让给我们？”“首期付款就要几千万元，你们能不能降低价格，等项目产生效益后再支付更多的费用？”……这是在与30余位宁波民企老板的频繁接触中，中科院宁波材料所技术转移办公室副主任俞建伟听的最多的话。

2011年7月，刘兆平团队设计建成了年产30吨的石墨烯中试生产线。

“石墨烯制备成本很高，每克要5000元，是黄金价格的十几倍。现在，人们会制造成本降到了每克3元。”刘兆平说，这意味着石墨烯项目可以走向产业化，成为大量供给的工

业原料。两个月后，在2011中国科技创业计划大赛上，“石墨烯产业化技术”项目获得海外人才创业特别奖一等奖。

引起国内外震动险些花落他乡

宁波材料所的石墨烯产业化技术，在国内外引起了不小的震动。石墨烯项目的市场价值，也由实验阶段的几千万元提升到上亿元。

而与这个项目有过接触的宁波民企，却在为投资门坎一下子提高那么多而发愁，犹豫再三后，还是迟迟未能出手。此时，外来竞争者已经悄悄逼近。很多外地企业或投资机构纷纷慕名前来，希望引进这个项目。

13柔性集体

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石墨烯具有高导电性和良好的柔韧性，是柔性储能器件的理想候选材料之一。金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室在前期制备出具有三维连通网络结构的石墨烯泡沫的基础上(Nature Materials 10 (6), 424, 2011)，利用该材料作为高导电的柔性集流体，设计并制备出可快速充放电的柔性锂离子电池。研究人员把三维连通的石墨烯网络作为集流体，取代电池中常用的金属集流体，不仅可有效降低电极中非活性物质的比例，且三维石墨烯网络的高导电性和多孔结构为锂离子和电子提供了快速扩散通道，可实现电极材料的快速充放电性能。为了在不使用粘结剂和导电添加剂的情况下实现活性物质和石墨烯集流体的良好接触以促进电子传输和提高弯折时电极材料的稳定性，研究人员发展了原位水热合成方法，在石墨烯三维连通网络结构上直接生长活性物质，如磷酸铁锂和钛酸锂。把磷酸铁锂/石墨烯和钛酸锂/石墨烯复合材料分别作为正负极，采用柔性硅胶为封装体，组装了具有很好柔性的锂离子全电池。该柔性锂离子电池在弯曲时，其充放电特性保持不变，并可在6分钟内完成充电(达到初始容量的90%)，在100次循环之后容量保持率在96%。

该研究为高性能柔性锂离子电池的设计和制备提出了一种新思路。这种可快速充电的柔性锂离子电池的制备工艺简单，具有潜在的实际应用价值。该研究成果于10月8日在《美国科学院院刊》(PNAS)上在线发表(PNAS, 2012, )。此外，该研究团队还充分利用石墨烯和碳纳米管的优异特性，发展出超级电容器和锂-硫电池用柔性电极材料(ACS Nano 3 (7), 1745, 2009; Advanced Energy Materials 1 (5), 917, 2011; Energy & Environmental Science 5, 8901, 2012)，为柔性储能器件的开发奠定了良好基础。上述工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院有关项目的资助。