石墨烯的研究進(jìn)展概述

蘭耀海

摘 要：由于石墨烯具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性能，現(xiàn)己逐漸應(yīng)用于電子材料、薄膜材料、儲(chǔ)能材料、液晶材料、催化材料等先進(jìn)的功能材料領(lǐng)域。石墨烯復(fù)合材料是石墨烯應(yīng)用研究中的重要領(lǐng)域，近年來(lái)已成為材料研究的熱門(mén)領(lǐng)域。文章主要對(duì)石墨烯的物理化學(xué)性質(zhì)、制備方法、石墨烯復(fù)合材料以及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)，并對(duì)未來(lái)石墨烯復(fù)合材料的發(fā)展做一展望。

關(guān)鍵詞：石墨烯；復(fù)合材料；研究進(jìn)展

1 石墨烯的物理化學(xué)性質(zhì)

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直到2004年，英國(guó)科學(xué)家成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，從而證實(shí)它可以單獨(dú)存在。石墨烯具有特殊的單原子層結(jié)構(gòu)和奇特的物理性質(zhì)：強(qiáng)度達(dá)130GPa、熱導(dǎo)率約5000J/（m·K·S），禁帶寬度幾乎為零、載流子遷移率達(dá)到2×105cm2/（V·s），具有極高的透明度（約為97.7%）、表面積的理論計(jì)算值為2630m2/g，石墨烯的楊氏模量（1100GPa）和斷裂強(qiáng)度（125GPa）與碳納米管相當(dāng)，它還具有分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、量子霍爾鐵磁性和零載流子濃度極限下的最小量子電導(dǎo)率等一系列優(yōu)良性質(zhì)。

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收大約2.3%的光。石墨烯的物理性能優(yōu)越可以翹曲成零維的富勒烯，卷成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，這賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。

2 石墨烯的制備方法

自從2004年曼徹斯特大學(xué)的研究小組發(fā)現(xiàn)了單層及薄層石墨烯以來(lái)，石墨烯的制備引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。由于二維晶體結(jié)構(gòu)在有限溫度下是極不穩(wěn)定，而考察石墨烯的基本性質(zhì)并充分發(fā)揮其優(yōu)異性能需要高質(zhì)量的單層或薄層石墨烯，這就要求尋找一種石墨烯的制備方法來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的研究及應(yīng)用需求。

目前石墨烯的制備方法主要?jiǎng)澐譃槿悾旱谝活悶榛瘜W(xué)剝離法，這種方法通過(guò)制備氧化石墨作為前軀體，使用化學(xué)還原，溶劑熱還原，熱膨脹還原等手段得到對(duì)應(yīng)的石墨烯。第二類為合成法，包括有機(jī)前軀體合成和溶劑熱合成兩種方法。第三類為催化生長(zhǎng)法，包括碳化硅外延生長(zhǎng)，氣相沉積等方法。有的文獻(xiàn)將石墨烯的制備方法分為機(jī)械剝離法、化學(xué)氧化法、晶體外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法、有機(jī)合成法和碳納米管剝離法等。目前石墨烯的制備方法還有高溫還原、光照還原、外延晶體生長(zhǎng)法、微波法、電弧法、電化學(xué)法等。

3 石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域

石墨烯是迄今為止世界上強(qiáng)度最大的材料，據(jù)測(cè)算如果用石墨烯制成厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（約為100納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂，石墨烯同時(shí)也是世界上導(dǎo)電性最好的材料。石墨烯的應(yīng)用范圍廣闊。根據(jù)石墨烯超薄，強(qiáng)度超大的特性，石墨烯被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機(jī)材料等。根據(jù)其優(yōu)異的導(dǎo)電性，使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路，高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，例如手機(jī)行業(yè)中，由于工程師們正在設(shè)法將越來(lái)越多的信息填充在信號(hào)中，這就被要求使用越來(lái)越高的頻率，然而手機(jī)的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升也便受到很大的限制。由于石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景變得廣闊，這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

2010年，清華大學(xué)的科研人員首次將石墨烯覆蓋在傳統(tǒng)的單晶硅材料上，研究發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能。石墨烯-硅模型材料還可以進(jìn)一步拓展為石墨烯與其他半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)，這種可以將石墨烯與傳統(tǒng)材料結(jié)合的模型，為石墨烯的實(shí)際應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用。由于導(dǎo)電的石墨烯的厚度小于DNA鏈中相鄰堿基之間的距離以及DNA四種堿基之間存在電子指紋，因此，石墨烯有望實(shí)現(xiàn)直接的，快速的，低成本的基因電子測(cè)序技術(shù)。石墨烯有望幫助物理學(xué)家在量子物理學(xué)研究領(lǐng)域取得新突破。

4 石墨烯復(fù)合材料

基于石墨烯的復(fù)合材料是石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域中的重要研究方向，其在能量?jī)?chǔ)存、液晶器件、電了器件、生物材料、傳感材料和催化劑載體等領(lǐng)域展現(xiàn)出了優(yōu)良性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前石墨烯復(fù)合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復(fù)合材料和石墨烯基無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料上，而隨著對(duì)石墨烯研究的深入，石墨烯增強(qiáng)體在塊體金屬基復(fù)合材料中的應(yīng)用也越來(lái)越受到人們的重視。根據(jù)石墨烯與聚合物的相互作用方式不同，可將石墨烯聚合物復(fù)合材料分為石墨烯填充聚合物復(fù)合材料、層狀石墨烯聚合物復(fù)合材料和功能化聚合物復(fù)合材料等。

5 石墨烯的發(fā)展展望

近幾年，石墨烯逐漸引起了我國(guó)政府、學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的高度重視。2012年，工業(yè)和信息化部發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中的前沿新材料就包含了石墨烯。雖然現(xiàn)階段我國(guó)石墨烯尚沒(méi)有形成大規(guī)模量產(chǎn)，也沒(méi)有形成規(guī)?；膽?yīng)用，但它作為新材料板塊在“十二五”規(guī)劃出臺(tái)后的首個(gè)熱點(diǎn)，有望通過(guò)市場(chǎng)的關(guān)注形成良好的產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)效應(yīng)。此外，國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家超級(jí)電器石墨烯等方向也部署了一批重大項(xiàng)目，取得了一系列創(chuàng)新成果，我國(guó)的國(guó)際影響力也逐步提升，同時(shí)國(guó)家自然科學(xué)基金也啟動(dòng)了多項(xiàng)重大科研計(jì)劃，并取得了相應(yīng)的成果。石墨烯以其優(yōu)良的性能，正逐漸成為市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)。

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