《石墨烯相关知识》word版

石墨烯

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成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(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，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。

石墨烯目前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；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-

6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料（仅限常温下，肯定

比不过超导）。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子场论

才能描绘。石墨烯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。

石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。

石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢

晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的

graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。

石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42Å。石墨烯

内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶

格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，

不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常

温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。

石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边

形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。

石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管；另外石墨烯还被做成弹道晶体管（ballistic transistor）并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月，

佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并

观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路.

发现历史

在本质上，石墨烯是分离出来的单原子层平面石墨。按照这说法，自从20世纪初，X射线晶体学的创立以来，科学家就已经开始接触到石墨烯了。1918年，V. Kohlschütter 和 P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质（graphite oxide paper）。1948年，G. Ruess 和 F. Vogt发表了最早用穿透式电子显微

镜拍摄的少层石墨烯（层数在3层至10层之间的石墨烯）图像。

关于石墨烯的制造与发现，最初，科学家试着使用化学剥离法（chemical exfoliation method）来制造石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨，得到

石墨层间化合物。在其三维结构中，每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过

化学反应处理，除去嵌入的大原子或大分子后，会得到一堆石墨烯烂泥。由于

难以分析与控制这堆烂泥的物理性质，科学家并没有继续这方面研究。还有一

些科学家采用化学气相沉积法，将石墨烯薄膜外延生长（epitaxial growth）

于各种各样基板（substrate），但初期品质并不优良。

于2004年，曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子理工学院（Institute for Microelectronics Technology）的两组物理团队共同合作，首先分离出单独石墨烯平面。海姆和团队成员偶然地发现了一种简单易行的制备石墨烯的新

方法。他们将石墨片放置在塑料胶带中，折叠胶带粘住石墨薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨

薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。当然，仅

仅是制备是不够的。通常，石墨烯会隐藏于一大堆石墨残渣，很难得会如理想

一般地紧贴在基板上；所以要找到实验数量的石墨烯，犹如大海捞针。甚至在

范围小到1 cm2的区域内，使用那时代的最尖端科技的都无法找到。海姆的秘

诀是，如果将石墨烯放置在镀有在一定厚度的氧化硅的硅片上。利用光波的干涉效应，就可以有效地使用光学显微镜找到这些石墨烯。这是一个非常精准的

实验；例如，假若氧化硅的厚度相差超过5%，不是正确数值300nm，而是

315nm，就无法观测到单层石墨烯。

近期，学者研究在各种不同材料基底上面的石墨烯的可见度和对比度，同时也

提供一种简单易行可见度增强方法。另外，使用拉曼显微学（Raman microscopy）的技术做初步辨认，也可以增加筛选效率。

于2005年，同样曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子（quasiparticle）是无质量迪拉克费米子（Dirac fermion）。

制备方法

在2008那年，由机械剥离法制备得到的石墨烯乃世界最贵的材料之一，人发截面尺寸的微小样品需要花费$1,000。渐渐地，随着制备程序的规模化，成本降

低很多。现在，公司行号能够以公吨为计量单位来买卖石墨烯。换另一方面，

生长于碳化硅表面上的石墨烯晶膜的价钱主要决定于基板成本，在2009年大约为 $100/cm2。韩国研究者，使用化学气相沉积法，将碳原子沉积于镍金属基板，形成石墨烯，浸蚀去镍金属后，转换沉积至其它种基板。这样，可以更便宜地

制备出尺寸达30英吋宽的石墨烯薄膜。

撕胶带法/轻微摩擦法

最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。 2004年，海姆等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。

典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相

石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。

但缺点是此法利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺

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。