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一.石墨烯简介

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子组成的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。

二.制备方法

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。

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。其中有三种制备方法最为普及,分别是微机械剥离法、化学气相沉积法和氧化还原法。

1.微机械剥离法

2004年,科学家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。

2.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。

3.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。

三.应用前景

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,因此透光率高于普通ITO材质;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.除此之外,目前已知可实现应还有:纳电子器件方面、光子传感器、基因电子测序、减少噪音、隧穿势垒材料和其他一些相关应用。 由此我们可以看见石墨烯这一新型材料的光明未来。

四.发展趋势

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。