石墨烯的研究進(jìn)展

楊盛昌

【摘 要】石墨烯是一種二維自由態(tài)原子晶體，具有極佳的導(dǎo)電特性、導(dǎo)熱特性、光學(xué)特性、機(jī)械特性，在各個(gè)不同的學(xué)科領(lǐng)域得到了大量探索和研究。論文闡述了石墨烯的結(jié)構(gòu)、特性、應(yīng)用進(jìn)展以及石墨烯具有的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)石墨烯的應(yīng)用提出了建議。

【Abstract】The graphene is a kind of two-dimensional free atom crystal with excellent conductivity， thermal conductivity， optical and mechanical properties. It has been explored and researched much in various subjects areas. In this paper， the structure， properties and application of graphene and its advantages and disadvantages are discussed. Paper puts forward the proposal for the graphene application.

【關(guān)鍵詞】石墨烯；結(jié)構(gòu)；性質(zhì)；應(yīng)用

【Keywords】graphene； structure； character； application

【中圖分類(lèi)號(hào)】TB332 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）03-0086-02

1 引言

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的唯一一種二維自由態(tài)原子晶體，是除金剛石以外其他碳晶體的基本結(jié)構(gòu)單元，具有許多極佳的電子及機(jī)械性能，是當(dāng)前使用的材料中最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能最好的一種納米材料[1]。近年來(lái)，科學(xué)界對(duì)石墨烯的研究逐漸從石墨烯的制備研究轉(zhuǎn)變到對(duì)石墨烯的應(yīng)用研究，并對(duì)石墨烯在光電、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)晶體管等領(lǐng)域都進(jìn)行了大量的研究，取得了較好的成果。

2 石墨烯的結(jié)構(gòu)及特性

2.1 結(jié)構(gòu)

石墨烯是一種單原子層的碳二維納米材料，其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由碳六元環(huán)組成的二維蜂窩狀，是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元，石墨烯主要分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石

墨烯、多層或厚層石墨烯4個(gè)類(lèi)別。石墨烯中每個(gè)碳原子

之間都以很強(qiáng)的共價(jià)σ鍵相互結(jié)合，且相互成為120°的角度，其C—C鍵長(zhǎng)大約為0.142nm，構(gòu)成了特有的六角晶格，這種特殊的成鍵方式和結(jié)構(gòu)使石墨烯成為史上最牢固的材料之一[2]。

2.2 導(dǎo)電特性

石墨烯原子之間具有極強(qiáng)的相互作用力，在室溫條件下，即使碳原子之間發(fā)生相互碰撞和擠壓，石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)也不會(huì)發(fā)生散射，其電子受到的干擾也非常小，其電子遷移率可達(dá)到2×105cm2/V·s，約為硅中電子遷移率的140倍，砷化鎵的20倍，溫度穩(wěn)定性也較高，電導(dǎo)率可達(dá)108Ω/m，電阻約為31Ω/sq，比銅或銀更低，是室溫下導(dǎo)電最好的材料。因此，石墨烯具有較好的導(dǎo)電性能。

2.3 導(dǎo)熱特性

石墨烯的導(dǎo)熱效應(yīng)在高溫時(shí)由光子傳導(dǎo)，在低溫時(shí)由其中的彈道傳輸所決定。其熱導(dǎo)率室溫下是5000 W·m-1·K-1，是硅的36倍，砷化鎵的20倍，是銅在室溫下的十倍多。因此，石墨烯的導(dǎo)熱性是目前已知材料中最高的，這使石墨烯在許多微熱電器件等領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2.4 光學(xué)特性

石墨烯有著極高的透明度。線性光學(xué)性質(zhì)：?jiǎn)螌邮┑奈饴屎芨?，?duì)從可見(jiàn)光到太赫茲寬波段每層吸收2.3%。非線性光學(xué)性質(zhì)：當(dāng)入射光的強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，石墨烯對(duì)其的吸收會(huì)達(dá)到飽和。這些特性使得石墨烯可以用來(lái)做被動(dòng)鎖模激光器。

2.5 機(jī)械特性

目前在發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)度、硬度較高的物質(zhì)材料中，石墨烯的強(qiáng)度是最大的，比鉆石和鋼鐵還要強(qiáng)硬100多倍。哥倫比亞大學(xué)對(duì)石墨烯材料強(qiáng)度、硬度的研究發(fā)現(xiàn)，作為實(shí)驗(yàn)式樣的石墨烯微粒在開(kāi)始斷裂前，其每100納米距離上可以承受的壓力高達(dá)2.9微牛。這種結(jié)果表明，要使1米長(zhǎng)的石墨烯斷裂，需要施加55牛頓的壓力。也就是說(shuō)，如果用石墨烯材料制備的包裝袋，其能承受的最高壓力為2 t的重壓，才能使石墨烯材料制備成的包裝袋斷開(kāi)。

3應(yīng)用范圍

3.1 作為晶體管

石墨烯中電子的傳導(dǎo)速率為8×105m/s，雖然比光的傳播速度慢，但比一般半導(dǎo)體中電子傳導(dǎo)速度快，比硅晶片的傳導(dǎo)速度快很多。利用石墨烯的這一特點(diǎn)，可以用來(lái)制備晶體管，制備的晶體管具有體積小、成本低、靈敏、快速、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 作為傳感器

石墨烯可用來(lái)制備傳感器，其中一個(gè)重要原因是，其獨(dú)特的二維層狀結(jié)構(gòu)具有比表面積大的特點(diǎn)，而大的比表面積非常有利于制備高靈敏度的傳感器；另外一個(gè)重要的原因是，其具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，當(dāng)一些氣體分子被吸附在石墨烯上時(shí)，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致其導(dǎo)電性能發(fā)生很大的快速變化，因此石墨烯可以應(yīng)用于制備氣體分子傳感器或探測(cè)器。

3.3 作為超級(jí)電容器

石墨烯具有比表面積大和電導(dǎo)率高的優(yōu)點(diǎn)，不需要像多孔碳材料電極那樣需要依賴(lài)孔的分布才能用來(lái)制備超級(jí)電容器，這種優(yōu)越的特點(diǎn)使石墨烯成為極佳的電極材料。目前的研究也表明，利用石墨烯材料生產(chǎn)的超級(jí)電容器，其功率密度能夠達(dá)到10 kW/kg，能量密度能夠達(dá)到28.5 Wh/kg，最大比電容能夠達(dá)到205 F/g，而且制成的這種超級(jí)電容器經(jīng)過(guò)1000多次的循環(huán)充放電測(cè)試后還能保留90%的比電容，循環(huán)使用的壽命較長(zhǎng)。

3.4 作為超導(dǎo)材料

在兩個(gè)超導(dǎo)電極中間連接石墨烯的方法來(lái)研究約瑟夫森效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)石墨烯中有超電流通過(guò)，而且當(dāng)處于零電荷密度時(shí)也有超電流通過(guò)，這種現(xiàn)象說(shuō)明石墨烯具有非常好的超導(dǎo)性。

3.5 作為能源儲(chǔ)存

石墨烯具有較小的質(zhì)量、較高的化學(xué)穩(wěn)定性和較大的比表面積的優(yōu)勢(shì)，這種優(yōu)勢(shì)可以使其成為最佳的儲(chǔ)氫材料。希臘大學(xué)的研究表明石墨烯材料摻雜鉀原子時(shí)，石墨烯柱的儲(chǔ)氫量可達(dá)到6.1%，使其成為性能最佳的能源儲(chǔ)備材料。

3.6 作為催化劑

石墨烯是從石墨中分離出來(lái)的，具有碳材料的特性，能作為一種催化劑載體。但是石墨烯本身又有自身的特性，具有單原子層結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電特性的優(yōu)勢(shì)，能制備出高質(zhì)量的燃料電池催化劑，也能高效吸附抗腫瘤的藥物，是一種極好的催化劑，具有廣發(fā)的應(yīng)用前景。

3.7 作為復(fù)合材料

石墨烯具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，其在新型的復(fù)合材料中得到了很好的應(yīng)用。相關(guān)的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，以石墨烯作為基礎(chǔ)材料制備的聚苯胺石墨烯復(fù)合物，其比電容能夠達(dá)到1046F/g，遠(yuǎn)大于純聚苯胺115F/g的比電容。許多研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，在復(fù)合材料中加入了石墨烯，復(fù)合材料的多功能性得到了大大的提高，這為復(fù)合材料的發(fā)展開(kāi)闊了最新的道路。

4 石墨烯的應(yīng)用存在的問(wèn)題

4.1 制備困難

石墨烯的制備精度直接決定了成品的質(zhì)量。由于存在不同種類(lèi)的石墨烯，而在制備不同領(lǐng)域的材料時(shí)，需要加入特定的石墨烯材料，例如，在制造電子設(shè)備時(shí)需要一種石墨烯材料，而在制造電池設(shè)備時(shí)，需要另外一種完全不相同的石墨烯材料。這種由于需要制備不同類(lèi)型的石墨烯材料用于不同的領(lǐng)域，限制了石墨烯大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，且在石墨烯的制備過(guò)程中，無(wú)法保證生產(chǎn)出來(lái)的都是完整的六元環(huán)，其中還會(huì)夾雜五元環(huán)和七元環(huán)，大大限制了石墨烯的規(guī)模化生產(chǎn)，成為石墨烯發(fā)展所面臨的最大瓶頸。

4.2 石墨烯的相關(guān)產(chǎn)品具有潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

石墨烯的相關(guān)產(chǎn)品對(duì)人體的毒理學(xué)尚不明確，研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的衍生產(chǎn)品“氧化石墨烯納米顆?！比绻幚聿划?dāng)排入水中，便會(huì)極易擴(kuò)散，這是否對(duì)人體和牲畜造成危害，缺乏相關(guān)的環(huán)評(píng)工作對(duì)其影響進(jìn)行評(píng)估[3]。

4.3 石墨烯與金屬電極的接觸點(diǎn)電阻很難對(duì)付

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶體管能控制電源的開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)，但石墨烯過(guò)于優(yōu)秀的導(dǎo)電性能使得其控制電源只能開(kāi)不能關(guān)，現(xiàn)有的技術(shù)尚不能解決這一難題。

5 結(jié)論

石墨烯從證實(shí)存在到今天只有短短十幾年時(shí)間，但是由于其優(yōu)異的導(dǎo)電特性、導(dǎo)熱特性、光學(xué)特性、機(jī)械特性等，石墨烯成為了各領(lǐng)域相關(guān)機(jī)構(gòu)和科研人員著重研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，在各方面得到了廣泛的關(guān)注。但是石墨烯材料還處于承前啟后的發(fā)展階段，需要發(fā)揚(yáng)其優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還需解決石墨烯制備困難，相關(guān)產(chǎn)品具有潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、與金屬電極的接觸點(diǎn)電阻很難對(duì)付的問(wèn)題，其制備及其應(yīng)用，還需要大量的相關(guān)研究工作，還需科研工作者進(jìn)行深度的挖掘、分析及解決。

【參考文獻(xiàn)】

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【2】談梓賢.石墨烯的未來(lái)在哪里——淺談其制備及應(yīng)用[J].科技尚品，2016（1）：66-67.

【3】賈子龍.石墨烯的研究進(jìn)展和展望[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2016，45（3）：29-32.