石墨烯应用

石墨烯的应用1提升现有材料的特殊性能当下的重点工作是在保证能大规模制备出高质量石墨烯的前提下，将精力更多地向应用开发倾斜。石墨烯具备能够很好促进其他材料提升性能的纳米结构，可以在不破坏材料原有基础性能的前提下，极大程度提升该材料某些特殊性能。这一过程，主要是通过对石墨烯和其他材料复合的方式及对石墨烯片径的控制来实现。“要做有用的石墨烯，而不是纯粹的石墨烯。”化学法制备的石墨烯具备上述特质。在对材料的改性方面，可以先将石墨烯功能化。尽管石墨烯的主体部分由稳定的六元环构成,但其边沿及缺陷部位具有较高的反应活性,可以通过化学氧化的方法制备石墨烯氧化物(Grapheneoxide)。由于石墨烯氧化物中含有大量的羧基、羟基和环氧键等活性基团,可以利用多种化学反应对石墨烯进行共价键功能化。通过对石墨烯进行功能化,不仅可以提高其溶解性,而且可以赋予石墨烯新的性质,使其在聚合物复合材料,光电功能材料与器件以及生物医药等领域有很好的应用前景。比如Chen等制备了磺酸基以及异氰酸酯功能化的石墨烯与热塑性聚氨酯(TPU)的复合材料,并研究了该材料在红外光触发驱动器件(Infrared-TriggeredActuators)中应用。他们发现,只需加入1wt%的石墨烯,就可以使TPU复合材料的强度提高75%,模量提高120%。进一步的研究表明,磺酸基功能化的石墨烯复合材料具有很好的红外光响应性。Brinson等系统研究了功能化石墨烯-聚合物复合材料的性能,发现石墨烯的加入可以使聚甲基丙烯酸甲酯的模量、强度、玻璃化转变温度和热分解温度大幅度提高,并且石墨烯的作用效果远远好于单壁碳纳米管和膨胀石墨;加入1%的功能化石墨烯,可以使聚丙稀腈的玻璃化转变温度提高40℃,大大提高了聚合物的热稳定性。2制造石墨烯光纤研究人员表示，如果这种方法被证明可用以成批制造石墨烯光纤，将能降低超坚固碳素复合材料的成本，碳素复合材料在航空航天、汽车和建筑等领域具有广泛的用途。3代替硅生产电子产品石墨烯的高强度、高透光性以及超强导电性，这让他成为了制造可弯曲显示设备和超高速电子器件的理想材料。IBM公司已研制出运行速度最快的石墨烯晶体管，并验证其截止频率为230GHz。IBM表示，计划将其应用于高频RF元件。Rice大学研究人员正在着手研究一类存储单元密度至少为闪存两倍的石墨烯片状存储器，此次是Rice大学研究人员首次将石墨烯用于构架更简单的双端存储器件。科学家发现，石墨烯还是目前电性能最出色的材料，石墨烯的这首特性尤其其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，因此石墨烯在电子领域拥有巨大的应用潜力。研究人员将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产超级计算机。4光子传感器石墨烯还可以以光子传感器形式出现在更大的市场上，用于检测光线中携带的信息。5纳电子器件在纳电子器件方面，石墨烯可能的应用包括：室温弹道场效应管；进一步减小器件开关时间，THz超高频的操作相应特性；探索单电子器件在同一片石墨烯上集成整个电路。除此之外，研究人员还表示，从氧化石墨烯到石墨烯的简单转换时制造导电性纳米线的重要途径，其不仅可应用于软性电子学领域，还有望用于生产与生物兼容的石墨烯电线，可被用于测量单个生物细胞的电子信号。6太阳能电池石墨烯是一种平坦的单原子碳薄，可用于取代透明导电的ITO电极用于有机太阳能电池。美国南加州大学的研究人员开发了一种柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有机太阳能电池。7单分子传感器石墨烯可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体，可制成具有精细结构的电子元件，应用于电池、电容器，即使在生物技术方面也可得到应用。8触摸面板触摸面板的试制品接二连三地面世。这一用途备受期待的原因在于，石墨烯具备较高的载流子迁移率且厚度较薄。一般来说，高透明性与高导电性是互为相反的性质，透明性与导电性存在着此消彼长的关系，石墨烯在理论上有望避开这种此消彼长的关系，成为理想的透明导电膜。除此之外，石墨烯还具备柔性较高的优势。但是，由于制作大面的石墨烯时会混入很多杂质及缺陷，因此大多数试制品的导电性及透明性都没有达到ITO的水平。即便如此，石墨烯仍有望用来制作触摸面板。9石墨烯纳米生物传感器国家纳米科学中心和美国哈佛大学合作首次成功制备了石墨烯与动物心肌细胞的人造突触，建立了一维、二维纳米材料与细胞相结合的独特研究体系，为生物电子学的研究带来了新的机遇。10高速光学调制器用石墨烯做成一个高速、对热不敏感、宽带、廉价和小尺寸的调制器，从而解决业界长期未能解决的问题。11石墨烯纳米抗菌材料上海应用物理所物理生物学实验室的博士研究生胡文兵等在樊春海和黄庆研究员的指导下探索了氧化石墨烯的抗菌特性,发现氧化石墨烯纳米悬液在与大肠杆菌孵育2h后，对其抑制率超过90%,进一步的实验结果表明氧化石墨烯的抗菌性源于其对大肠杆菌细胞膜的破坏。更重要的是：氧化石墨烯不仅是一种新型的优良抗菌材料,而且对哺乳动物细胞产生的细胞毒性很小。此外,通过抽滤法能够将氧化石墨烯制备成纸片样的宏观石墨烯膜,也能有效地抑制大肠杆菌的生长。由于氧化石墨烯的制备简便、成本低廉,这种新型的碳纳米材料有望在环境和临床领域得到广泛的应用。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。综上，石墨烯有望在诸多应用领域中成为新一代器件，但这些元件要达到实际应用水平,还需要解决一大问题。那就是如何在所要求的基板或位置制作出不含缺陷及杂质的高品质石墨烯,或者通过掺杂(Doping)法实现所期望载流子密度的石墨烯。用于透明导电膜用途时能否实现大面积化及量产化,而用于晶体管用途时能否提高层控制精度,这些问题都十分重要。今后,为了探寻石墨烯更广阔的应用领域,还需继续寻求更为优异的石墨烯制备工艺,使其得到更好的应用。