石墨烯材料的性能研究及应用 王奔

石墨烯材料的性能研究及应用

王奔

摘要：石墨烯，一种单原子层的二维纳米材料，具有非常高的比表面积和优异的机械、电学、热学和光学特性。自从2004年发现以来，研究者对这种材料在未来技术革命方面提出了大量的应用，石墨烯被认为是未来能够取代硅的一种新型电子材料。本文首先从石墨烯的发现入手，之后对其结构和性质进行了简单的概述，并对石墨烯的制备以及应用等方面进行了综述。

关键词：石墨烯；性能；制备；应用

Research on propertiesandpreparationsof graphene

materials

Wang Ben

Abstract:Graphene，a two-dimensional nano material of a single atomic layer，has a very high specific surface area and excellent mechanical，electrical，thermal and optical properties。 Since its discovery in 2004，researchers on this materialpresents a large number of applications in the future technology revolution，graphene is believed to be a new electronic materials to replace silicon future。This paper begins with the discovery of graphite ,then it gives a brief introduction on the structure and properties of it, and the modifications and applications are summarized at last.

Keywords:Graphene;preparation;properties; application

0 引言

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫等通过机械分离法首次成功制备了石墨烯(graphene)，他们从石墨中剥离出石墨片，然后将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。它是以sp2 轨道杂化方式连接的C单原子按正六边形紧密排列成的蜂窝状的二维原子晶体结构。他们的成果打破了在20世纪30年

代，Peiers和Landau 认为由于热力学不稳定性而不可能存在这种二维晶体的传统理论。

1 石墨烯的结构

石墨烯指单层石墨薄片，仅有一个原子尺寸厚，由杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构，石墨烯中的碳碳键长0.142nm。每个晶格内有三个键，连接十分牢固，形成了稳定的六边形状[3]。垂直于晶面方向上的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。可以将它看作一个无限大的芳香族分子，平面多环芳香烃的极限情况就是石墨烯。

石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间的连接极其柔韧。受到外力时，碳原子面发生弯曲变形，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。石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带的形式存在。纳米条带中电荷在横向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒，势垒岁条带宽度的减小而增大。因此，通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒[4]。这一特性是一石墨烯为基础的电子器件的基础。

2 石墨烯的性质

石墨烯是单层原子厚度的石墨，具有二维蜂窝状网络结构。它能分解成零维富勒烯，也能卷曲产生一维碳纳米管，亦能堆积产生三维石墨。独特的二维晶体结构使石墨烯具有优异的力、热、电学性能。

2.1 力学性质

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，也可以保持结构稳定。实验发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100 nm 距离上可承受的最大压力居然达到了2.9 µN。

2.2 热学性质

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。所以，它的发现立即震惊了凝聚态物理界。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，这归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。迄今为止，研究者仍未

发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，即六边形晶格中的碳原子全都没有丢失或发生位移。石墨烯本身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量。

2.3 电学性质

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，其质量似可不计，且以恒定的速率移动，石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为,已被科学家解释为电子在石墨烯里有效质量为零，这和光子的行为极为相似；不管石墨烯中的电子带有多大的能量，电子的运动速率都约是光子运动速率的三百分之一，为 10 6 m/s。石墨烯的室温量子霍尔效应，无质量狄拉克费密子型载流子，高达200000cm 2 /(V·s)的迁移率等新奇物性相继被发现。石墨烯是纳米电路的理想材料，也是验证量子效应的理想材料。近来所观测到的显著的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，证实了石墨烯是未来纳米电子器件的极有前景的材料。

2.4 光学性质

由于石墨烯是单薄片状态的，光子虽然不能穿透碳原子核，但是，可以穿透碳原子核之间的广大的空间，所以，石墨烯是一种透明的物质，当几个石墨烯分子层叠加在一起时，由于碳原子核排列有序（就像检阅场上的方队那样），光很容易穿透方队中的间隙呈现透明状态。尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光[8]。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

3 石墨烯的制备

大量制备尺寸、厚度可控的石墨烯材料对石墨烯基材料的应用具有重要的意义。制备石墨烯可以归结为两个基本的思路：一是以石墨为原料，通过削弱以及破坏石墨层间的范德华力来剥开石墨层从而得到石墨烯：二是基于活性碳原子的定向组装，“限制”碳原子沿平面方向生长。现阶段主要有以下其中制备方法：微机械剥离法、化学气相沉积法、表面外延生长法、氧化石墨还原法、电化学法、淬火法、原位自生模板法。本文主要介绍微机械剥离法和表面外延生长法。3.1 微机械剥离法

机械剥离法就是利用机械力，将石墨烯片从具有高度定向热解石墨表面剥离