石墨烯及其应用前景

石墨烯及其应用前景

作者：朱心奇

来源：《化学教学》2011年第10期

摘要：介绍了石墨烯的发现、特性和应用前景，分析了石墨烯与碳纳米管、富勒烯、石墨的联系和区别。

关键词：石墨烯；碳纳米管；富勒烯

文章编号：1005-6629(2011)10-0068-03

中图分类号：TU521.5

文献标识码：E

石墨烯是目前发现的惟一存在的二维自由态原子晶体，是构建零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等的基本结构单元，具有很多奇异的电子及机械性能。因此吸引了化学、材料等领域研究者的高度关注。本文介绍石墨烯的发现、特性和应用前景，分析石墨烯与碳纳米管、富勒烯、石墨的联系和区别。

1、石墨烯的结构及其发现

石墨烯，英文名Graphene，是碳元素的一种单质形态。碳是自然界里最重要的元素之_，有着独特的性质，是生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。石墨烯是碳的另一张奇妙脸孔，具有由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构。它像一张单层的网，每一个网格都是一个完美的六边形，每一个绳结是一个碳原子。这张网只有一个原子那么厚，可以说没有高度、只有长宽，是二维结构的碳。人类已知的最薄材料，其厚度只有0.335纳米，由于它包含烯类物质的基本特征——碳原子之间的双键，所以称为石墨烯。石墨烯虽呈二维结构，但它并不是平坦的，而是波状的(见图1)。在一个两层体系中，这种起伏不是很明显，在多层体系中会完全消失。

科学家在20世纪40年代就对类似石墨烯的结构进行过理论研究，但长久以来，科学家们一直为这种纯粹的二维晶体材料是无法稳定存在的，一些试图制备石墨烯的工作也均以失败而告终。

2010年10月5日，瑞典皇家科学院宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予荷兰籍物理学家安德烈·盖姆(Andre K．Geim，以下称盖姆)和拥有英国与俄罗斯双重国籍的物理学家康斯坦丁-诺沃肖洛夫(Konstantin S．Novoselov)，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。

2008年8月，盖姆讲述了他们当初如何制造石墨烯的故事：2004年，盖姆买了一大块高定向热解石墨，这是一种纯度非常高、通常用于分析的石墨材料。盖姆把它交给了他新来的一位博士生，并给了他一台非常高级的抛光机，希望他能制作出尽可能薄的薄膜。三个星期过后，这位博士生拿着一个培养皿告诉盖姆说做好了。盖姆用显微镜观察培养皿底部的石墨斑，发现那足有10微米厚，相当于1000层石墨烯的厚度。盖姆于是问他，能不能磨得再薄一些?他告诉盖姆，那还再需要—块石墨。这种石墨每块大约要300美元。盖姆承认自己当时的态度可能不太好，于是，那位博士生对盖姆说：“既然你这么聪明，那你就自己试试吧。”

盖姆只得自己做了，不过他采用了一种非常“土”的方法。因为石墨具有完整的层状解理特性，可以按层剥离。于是，盖姆用透明胶带在石墨上粘—下，这样就会有石墨层被粘在胶带上。盖姆把胶带对折后，粘—下再拉开，这样，胶带两端都沾有石墨层，石墨层又变薄了c如此反复多次，胶带上的石墨层薄到只有一个碳原子的厚度时，石墨层也就变成了石墨烯。这个看上去非常简单的方法，在此之前也有人试过，但没能辨识出单层石墨烯。盖姆把剥离下来的薄片放在氧化硅基板上，光的干涉效应使薄片在显微镜下呈现彩色条纹，就像油膜在水面上产生的效果。利用这种效应，他们观察到了单层石墨烯。就这样，第一种二维晶体材料正式出现了。

这一发现在科学界引起了巨大的轰动，它不仅打破了二维晶体无法真实存在的理论预言，更为重要的是石墨烯众多新奇的特性，使它成为继富勒烯和碳纳米管后又一个里程碑式的新材料。

2、石墨烯与碳纳米管、富勒烯、石墨的联系和区别

碳元素的最大特点之一是存在着众多同素异形体，如人们熟悉的金刚石和石墨，以及前些年发现的以C60为代表的富勒烯和碳纳米管等。

石墨烯的出现，使碳的晶体结构形成了包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯、金刚石和石墨在内的完整体系，最终建立了从零维到三维的碳范式(零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯、三维石墨或金刚石)。

令人惊奇的是，这些碳材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界度的超导体等。为什么碳元素会是如此的神奇呢?答案就在其独特的电子结构上，碳元素是第6号元素，其原子最外层有4个价电子，C原子除了可以sp3杂化轨道形成单键外，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键，可以和各种原子形成共价键，从而形成许许多多结构和性质完全不同的物质。

富勒烯是在1985年，由美国德克萨斯洲罗斯大学的科学家发现的，因为这一伟大的发现，1996年，富勒烯的发现者获得了诺贝尔奖；多壁碳纳米管是1991年日本的NEC公司基础研究室的电镜专家饭岛澄男博士在真空电弧蒸发石墨电极制备C60的实验产物中意外发现的一维碳材料，1993年，饭岛澄男博士等又发现了单壁碳纳米管；相比而言，2004年，由海姆发现的石墨烯来说是最晚的，虽然如此，石墨，碳纳米管、富勒烯都可以看作由石墨烯转化来的，因此石墨烯可以看作是其他三种材料的母体。

石墨烯、富勒烯、碳纳米管以及石墨都是碳的同素异形体。由图2可以看出，石墨是由多层的石墨烯堆积而成的，石墨的层与层之间是由范德华力结合的，而同一网层中的碳原子是由特殊的单键结合，因此层与层间的距离比同一网层中碳原子的间距大，石墨的层与层之间是较松散的结构。碳纳米管的主体管部分可以看作是由一部分石墨烯片层卷曲而成，两端各由半个

富勒烯封口。碳纳米管中的碳原子除了sp2杂化外，还有部分的sp。杂化，这样才能呈现出弯曲的管状结构。碳纳米管有着奇特的导电性质，它会因石墨烯形成碳纳米管时的卷曲方式不同而呈现出金属性和半导体性。另外，正是由于碳纳米管与石墨烯如此亲近的关系，碳纳米管的各种性质，石墨烯大都同样具有。富勒烯是由石墨烯上的一部分弯曲成足球状得到的，它是由60个碳原子以20个6元环和12个5元环连接而成的具有30个碳碳双键的足球状空心对称分子，分子剩余的电子在球状分子中形成大π键，因此富勒烯具有芳香性。

3、石墨烯的特性

石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能。由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量，石墨烯具有丰富而新奇的物理现象。

3.1特殊的结构稳定性

石墨烯结构非常稳定，迄今为止，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，就能保持结构稳定。

石墨烯的发现，首先让凝聚态物理学家们惊喜不已。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，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是，现在单层石墨烯已被剥离出来了。石墨烯结构稳定，可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。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，6e6／h，lOe2／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”。

3.2优异的导电性

石墨烯稳定的晶格结构使碳原子具有优异的导电性。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”)性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯可以吸收大约2.3％的可见光，而这正是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

3.3机械特性