石墨烯的性质及其应用前景

石墨烯的性质及其应用前景

碳元素是自然界中非常重要的元素，存在石墨、金刚石、富勒烯等多种同素异形体。石墨烯（Graphene），是碳材料家族的新成员，它的发现，使碳材料家族形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。自其问世以来，引起了大量科研人员的关注，同时引发了一场全球性的科学技术革命。石墨烯作为一种新兴的碳纳米材料，具有独特的电学、光学、热学和力学性能，使其在电子器件、场发射材料、复合材料、气体传感器、能量存储以及环境科学等领域具有广阔的应用前景。石墨烯材料的研究也是近些年来最受关注的研究领域之一。大量学者认为石墨烯极有可能代替硅成为未来的半导体材料。本文简要介绍了石墨烯多方面的物理化学性质及其应用前景，总结了近几年来一些科学工作者相关的研究成果。

1.引言

时至今日，人类对石墨烯的研究共有60多年的历史。石墨烯最初仅被看成一种理论模型来模拟石墨及碳纳米管等碳材料的特性。根据传统观点，大多数学者认为，石墨烯，这种二维晶体，是不能稳定存在的。直到2004年，Geim和Novoselov利用“微机械剥离法（Mechanical Exfoliation）”得到了稳定存在的单层石墨烯，才推翻了传统的观点。二人也因这一研究成果于2010年共同获得了诺贝尔物理学奖。除机械剥离法外，液相剥离法和氧化-还原法等，也都是通过破坏石墨间的范德华力，剥离出石墨单分子层，来制备石墨烯的方法。另一类制备方法是化学合成法，包括化学气相沉淀法和碳化硅热解法等。石墨烯结构的稳定性高，与其他物质间的作用力弱，且片层之间有较强的范德华力, 容易聚集, 使其难溶于水及常用的有机溶剂, 给研究和应用石墨烯造成了极大的困难，是对石墨烯进一步研究所面临的难题。

广义上，石墨烯分为单层石墨烯、多层石墨烯、还原氧化石墨烯和石墨烯纳米带。但从严格定义上讲，石墨烯是指单层石墨烯。石墨烯呈现几乎完全透明的状态，碳原子排列与石墨的单原子层相同，可以看成是由单一的石墨原子层构成的。石墨烯的厚度约为0.335nm，碳碳键长约为0.142nm，结构十分稳定。理想情况下，在石墨烯中碳原子呈六方网环状排列(图1)，但实际上，石墨烯碳

原子的排列还会存在五方环、七方环等形式的缺陷（图2）。

目前，石墨烯是世界上最薄，最坚硬的纳米材料，由碳原子以sp2杂化轨道相作用紧密堆积形成的。微观尺度下的石墨烯的表面并不平整，局部存在起伏和褶皱。且该种在纳米级别上微观扭曲的特殊结构是由于室温条件下碳原子化学键键合的多重性。同时，石墨烯是构成木炭、碳纳米管和富勒烯这几种碳的同素异形体的基本单元。例如，一维的碳纳米管可以看做是卷成圆筒状的石墨烯；零维的富勒烯可以看做是五角形的石墨烯围裹而成的。

2.电学性质

石墨烯是一种导电性能良好的材料。，在石墨烯的电子结构中，位于导带的π*轨道电子与位于价带的π轨道电子相交于费米能级的K和K'点，因此，石墨烯为零带隙的半导体，显示金属性。又因为位于Dirac点附近的载流子有效质量为零，所以，石墨烯中的电子又被成为无质量的Dirac-Femi子。且碳碳键中共轭大π键为半填满状态，π键中的电子为非定域的，所以电子在石墨烯平面受到的阻力较小，能自由移动，传输速度约为106m/s，远远超过电子在一般半导体中的运动速度，表现出相对论效应；即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级。常温下，其电子迁移率超过1.5m2/(V·s)，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍,而机械法剥离制备的单层石墨烯载流子迁移率高达20 m2/(V·s)。电阻率约10-6欧·cm，低于银，是世界上电阻率最小的材料。关于石墨烯中Dirac-Femi子在有限力程杂质散射情况下的运输问题的研究表明，局域化现象存在于有限浓度载流子的大块样品中，而对于小样品的低温局域化非常弱；当载流子浓度接近零，体系为反局域化。石墨烯具有二维电子特性。进些年来，石墨烯已被观测到室温量子霍尔效应、整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应。其霍尔电导等于2e2/h，6e2/h，

10e2/h，…，为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。而且石墨烯的的能带（图3）与电子结构和剪裁形状密切相关。石墨烯多种优异的电学性能使其成为制作纳米电路的理想材料和验证霍尔效应的理想材料。美国加州大学洛杉矶分校的研究人员在利用化学合成法制备石墨烯的过程中，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。

图3 石墨烯能带结构

3.力学性质

石墨烯的结构非常稳定。石墨烯中碳原子通过稳定性强的σ键并附加上π的作用与相邻的3个碳原子形成稳定的六角形平面结构，这些很强的Ｃ—Ｃ键非常柔韧，当外力施加于石墨烯材料时，碳原子面会弯曲变形，碳原子的排布便不会遭到破坏，从而保持稳定，使其具有非常高的抗压和抗拉能力。实验中测得石墨烯的本征强度为125GPa，是钢的100 多倍，为世界上最牢固的材料。实验研究表明，以10~20nm的石墨烯微粒为研究对象，每100nm可承受的最大压力为2.9μN。

4.热学性质及其它性质

石墨烯拥有优异的导热性能主要是因为其稳定的晶格结构。室温下，石墨烯的导热系数高达5000W/(m·K)，高于多壁纳米管的3000 W/(m·K)和单壁纳米管的3500 W/(m·K)，远高于一些常见金属，且是金刚石的3 倍。石墨烯的传热主要是靠声子传递。在300K的温度下石墨烯的热传导率主要由石墨烯布里渊中心ZA声子贡献。且温度越高，石墨烯的热传导率总体上越低（图4）。

石墨烯的边缘及缺陷处有孤对电子，从而使得石墨烯具有铁磁性等磁学性质；石墨烯还具有独特的巨磁阻效应。同时，优良的气体阻隔性能。

5.光学性质

6.应用前景