二維材料石墨烯的性質(zhì)與應(yīng)用

喬明　王瑩

[摘 要]文章介紹了石墨烯興起的過(guò)程，并結(jié)合石墨烯的結(jié)構(gòu)特征分析了其獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械學(xué)等優(yōu)良性質(zhì)。作為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前提，文章闡述了石墨烯的制備方法以及它們各自的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，探究了石墨烯材料未來(lái)的應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]石墨烯；二維材料；性質(zhì)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TG333.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）14-0308-01

石墨烯的興起

石墨烯研究歷史可以追溯到1947年，多年來(lái)未受到廣泛關(guān)注。直到2004年，英國(guó)的Andre Geim和Konstantin Novoselov從石墨中首次剝離出單層石墨——石墨烯，并發(fā)現(xiàn)這種已知的最薄、最堅(jiān)硬的納米材料具有異常獨(dú)特性質(zhì)。自此以后，大家深信石墨烯在不久的將來(lái)會(huì)有巨大的應(yīng)用潛力和市場(chǎng)前景，甚至有人認(rèn)為石墨烯產(chǎn)業(yè)化很快就要到來(lái)[1]。

1.石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

石墨烯一層被剝離的石墨分子，結(jié)構(gòu)是碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀的晶格結(jié)構(gòu)，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。由于每個(gè)碳原子有一個(gè)剩余的p軌道電子可以自由移動(dòng)，所以石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，其電阻率只有約1 Ω·m，為世上電阻率最小的材料。電子在石墨烯的二維結(jié)構(gòu)中傳輸時(shí)，表現(xiàn)為無(wú)質(zhì)量的費(fèi)米子，所以石墨烯展現(xiàn)出許多同二維Dirac費(fèi)米子特征相符的傳輸特性，包括量子霍爾效應(yīng)，載流子濃度趨向?yàn)榱銜r(shí)仍然存在的最小電導(dǎo)率4e2/h，和帶有π相移的Shbnikov-de Haas振蕩。

石墨烯也展現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)。單層石墨烯只有一個(gè)原子的厚度，約為0.34nm，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的入射光。石墨烯的線性能帶結(jié)構(gòu)和無(wú)帶隙特性允許光吸收的帶間躍遷在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)生，表現(xiàn)為比較平坦的光吸收系數(shù)?？茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn)石墨烯具有極強(qiáng)的非線性效應(yīng)，其三階電極化率高達(dá)10-7esu，因此其具有低閾值的寬帶可飽和吸收效應(yīng)。此外，石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，遠(yuǎn)高于碳納米管和金剛石。石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度和受損閾值也非常大，是目前已知的最堅(jiān)硬的納米材料。

石墨烯由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域引起了人們的廣泛興趣，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始研究石墨烯的性能和應(yīng)用[2]。

2.石墨烯的制備

2.1 機(jī)械剝離法

機(jī)械剝離法是通過(guò)機(jī)械力直接從石墨晶體的表面剝離出石墨烯片層，該方法能夠制備結(jié)構(gòu)和電學(xué)品質(zhì)都很高的、大小為毫米量級(jí)的單層石墨烯，其獲得的樣品多用于基礎(chǔ)研究中，但是在產(chǎn)量和吞度量方面存在不足，不適于大規(guī)模應(yīng)用生產(chǎn)。

2.2外延生長(zhǎng)法

外延生長(zhǎng)法就是通過(guò)加熱單晶6H-SiC以脫除Si，從而在0001和000面上分解出石墨烯片層。這種方法得到的石墨烯可以分為兩種：一種是生長(zhǎng)在Si層上的石墨烯，由于和Si層接觸，這種石墨烯的導(dǎo)電性受到較大影響；另一種是生長(zhǎng)在C層上的石墨烯，有著極為優(yōu)良的導(dǎo)電能力。外延生長(zhǎng)法得到的石墨烯比較難以控制缺陷和多晶疇結(jié)構(gòu)，物理性質(zhì)受SiC襯底的影響很大，并且難以從SiC襯底上分離，不能成為大量制造石墨烯的方法。

2.3氧化石墨烯法

這是目前廣泛應(yīng)用的一種方法。氧化石墨烯法就是將石墨片化學(xué)氧化為氧化石墨，氧化石墨可以在水中和許多溶液中溶解，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)某曊袷幪幚碓谒芤夯蛴袡C(jī)溶液中分散成均勻的氧化石墨烯的懸濁液，再通過(guò)化學(xué)還原獲得石墨烯薄片。該方法效率高、成本低、能夠大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，但是石墨烯的電子結(jié)構(gòu)以及晶體的完整性會(huì)受到強(qiáng)氧化劑的破壞。

2.4化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法原理是將一種或多種氣態(tài)物質(zhì)導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)腔里進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成一種新的物質(zhì)沉積在襯底表面，它被認(rèn)為是最有前途的大規(guī)模制備石墨烯薄片的方法。用這種方法制備的石墨烯的尺寸在不斷的進(jìn)步，現(xiàn)在大于1m的石墨烯薄膜樣品已經(jīng)能夠制備和用于生產(chǎn)。利用這個(gè)方法，可以在石墨烯生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行化學(xué)摻雜，這對(duì)于許多光電子器件非常重要。但是這種方法制備的石墨烯在性能上仍有一些缺陷，例如與機(jī)械剝離法獲得的石墨烯樣品相比，前者很難觀察到量子霍爾效應(yīng)，石墨烯的電子性質(zhì)受襯底的影響也很大。

3.石墨烯的應(yīng)用與發(fā)展

3.1 計(jì)算機(jī)芯片材料

硅基的計(jì)算機(jī)處理器在室溫條件下每秒鐘只能執(zhí)行一定數(shù)量的操作，然而電子穿過(guò)石墨烯幾乎沒(méi)有任何阻力，所產(chǎn)生的熱量也非常少，石墨烯本身就是一個(gè)良好的導(dǎo)熱體，可以很快地散發(fā)熱量。所以，如果由石墨烯制造電子產(chǎn)品，其運(yùn)行的速度可以得到大幅提高。與硅相比，石墨烯被分割時(shí)其基本物理性能并不改變，而且其電子性能還有可能異常發(fā)揮。因而，當(dāng)硅無(wú)法再分割得更小時(shí)，比硅還小的石墨烯可繼續(xù)維持摩爾定律，從而極有可能成為硅的替代品推動(dòng)微電子技術(shù)繼續(xù)向前發(fā)展。

3.2 透明導(dǎo)電材料

顯示器、觸摸屏、太陽(yáng)能電池等光電子器件都要求電極材料具有較低的薄膜電阻和較高的透明性。目前的透明導(dǎo)體材料大多是半導(dǎo)體，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬氧化銦錫（ITO），它含有90%的In2O3和10%的SnO2。但是，ITO有許多應(yīng)用缺陷，人們努力在尋找新的性能更好的透明導(dǎo)電材料，金屬薄膜、金屬納米線、碳納米管和石墨烯都成為了ITO的替代品而被大家廣泛研究。相比于其它幾種材料，石墨烯薄膜具有更寬的光譜透射區(qū)，這對(duì)于光電子器件來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。

3.3 導(dǎo)電、導(dǎo)熱和防腐涂料

石墨烯的二維結(jié)構(gòu)使得其成為理想的填料用于功能涂料涂層，因?yàn)槭┎坏梢栽谕繉又袠?gòu)建導(dǎo)電導(dǎo)熱通道，又可以互相拼接形成嚴(yán)密的迷宮式物理屏障，隔絕腐蝕因子。所以，基于石墨烯的功能涂料可以具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐、電磁屏蔽等多種功能。另外，加入石墨烯進(jìn)一步可以增強(qiáng)涂層的附著力，使其具有優(yōu)良的耐磨和耐刮擦性能。所以，石墨烯涂料在船舶、飛機(jī)、建筑物、橋梁以及日常用具（如不沾鍋、電熨斗）等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.4 抗靜電塑料

近期，基于石墨烯的抗靜電塑料母粒成為了業(yè)界努力研發(fā)的方向，人們希望石墨烯在高分子材料中具有良好的分散能力，以實(shí)現(xiàn)少量添加就能大幅提高材料電導(dǎo)率的效果。實(shí)驗(yàn)表明，石墨烯材料在聚乙烯、聚丙烯和尼龍等多種高分子材料中都可順利添加，且分散良好，石墨烯在抗靜電塑料方面的應(yīng)用效果十分明顯[3]。

4.結(jié)束語(yǔ)

石墨烯的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展依然面臨著許多重大挑戰(zhàn)，各方面的競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。我國(guó)是最早開(kāi)展石墨烯研究的國(guó)家之一，在石墨烯基礎(chǔ)研究以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研發(fā)中處于世界前列。為繼續(xù)保持這一優(yōu)勢(shì)，并在未來(lái)的石墨烯產(chǎn)業(yè)中占據(jù)戰(zhàn)略主動(dòng)，仍然需要科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界以及政府相關(guān)部門繼續(xù)緊密合作。

參考文獻(xiàn)

[1] F. Bonaccorso， Z. Sun， T. Hasan， A. C. Ferrari. Graphene Photonics and Optoelectronics[J]. Nature Photonics. 2010，10： 10-13.

[2] 徐秀娟，秦金貴，李振.石墨烯研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)進(jìn)展. 2009， 21（12）：30-32.

[3] 黃桂榮.石墨烯的合成與應(yīng)用[J].炭素技術(shù).2009，29（1）：35-38

作者簡(jiǎn)介

喬明：（ 1984—）男，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化

王瑩：（1981—）女，碩士，講師，研究方向?yàn)楣┯秒娂夹g(shù)