浅谈石墨烯

浅谈石墨烯摘要：石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料，它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质。有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前热点课题之一．本文主要简单介绍了石墨烯的发现，石墨烯的一些性质,石墨烯的合成与制备的几种方法，石墨烯在生产生活及研究中的应用。关键词：石墨烯；石墨烯性质；石墨烯合成；石墨烯应用石墨烯是由Manchester大学的Geim小组于2004年首次用机械剥离法获得的单原子厚度的二维碳原子晶体，因其力学、量子和电学性质特殊，颇受物理和材料学界重视。它的问世充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。石墨烯由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成，其基本结构单元为苯六元环，其理论厚度仅为0．35nm，是目前发现的最薄的二维材料，并被认为是富勒烯、碳纳米管(CNT)、石墨的基本结构单元⋯。石墨烯的诸多性能均十分优异，如石墨烯的强度是已测试材料中最高的，达130GPa，是钢的100多倍；质量轻，比表面积大，可高达2600m2／g；另外，对于无机陶瓷材料，石墨烯抑制晶粒长大的作用十分明显；石墨烯导热性好，其热导率可达5x103W·m-1。K-1，是金刚石的3倍；石墨烯电学性能非常出众，其载流子迁移率达1．5x104cm2·V_１·S－１，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍，超过商用硅片迁移率的lo倍，在特定条件下(如低温骤冷等)，其迁移率甚至可高达2．5×105cm2·V。－1·S－1。石墨烯有着极高的透明度，在可见光范围，石墨烯薄膜的透明度随着膜厚的增加而降低：对于2nm厚的石墨烯薄膜，透过率超过95％，对于10nm厚的薄膜透过率也有70％。另外石墨烯还具有室温量子霍尔效应(Halleffect)及室温铁磁性等优异性质。石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法——晶膜生长和加热SiC的方法；化学方法是化学分散法。微机械分离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。即用缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生含单层石墨烯的絮片状晶体。但此法对石墨烯尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。取向附生法则是利用生长基质的原子结构“种”出石墨烯，但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。加热SiC的方法是在单晶6H—SiC的Si—terminated(00001)面上通过热解脱除si来制取石墨烯，其厚度由加热温度决定。化学分散法是将氧化石墨与水以1mg／mL的比例混合，用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在100℃回流24h，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。石墨烯的应用前景也十分广阔。石墨烯有着高载流子迁移率，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(300K下可达0．3Ixm)，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。石墨烯可能取代Si成为未来的计算机芯片。电子在石墨烯中的传导速度比硅快100倍，这将为高速计算机芯片和生化传感器带来诸多进步。与大部分半导体材料不同，石墨烯的相不随温度而改变，这将使得碳晶体管会成为最快的晶体管，超越包括锑化铟在内的所有芯片材料。由于大的表面体积比和高导电性，石墨烯另一诱人的应用是作为电池电极材料以提高电池效率。石墨烯具有优异的氢气吸附特性，可望在储氢材料领域得到应用。石墨烯的研究和应用向世人展示了十分诱人的前景，以至国内外都投入大量人力物力财力对其进行研究，真心希望石墨烯能尽快应用到生产生活中，为人类造福。参考文献：（１）黄桂荣陈建，《石墨烯的合成与应用》，《炭素技术》，2009年第28卷第1期（２）胡耀娟金娟张卉吴萍蔡称心，《石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用》，《物理化学学报》，2010年8月第26期：2073-2086（3）杨永岗陈成猛温月芳杨全红王茂章，《氧化石墨烯及其与聚合物的复合》，《新型炭材料》，2008年9月第23卷第3期（4）江莞范宇驰刘霞王连军，《机械剥离法制备石墨烯及其在石墨烯／陶瓷复合材料制备中的应用》，《中国材料进展》，2011年1月第30卷第1期