石墨烯简介

石墨烯Graphene

一．石墨烯是什么？

1.关于2010诺贝尔物理学奖

海姆和诺沃肖洛夫他们曾是师生，现在是同事，他们都出生于俄罗斯，都曾在那里学习，也曾一同在荷兰学习和研究，最后他们又一起在

英国于2004年第一次用微机械剥离法( Micromechanical cleavage) 获得石墨烯薄片层制备出了石墨烯。这种神奇材料的诞生使安德烈·海

姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。至此，三维

的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管和零维的富勒球（足球烯）

就组成了完整的碳家族体系。

2.石墨烯的结构

所谓石墨烯，它和石墨有着紧密的联系。我们常见的石墨

是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，

石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨

片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的

单层就是石墨烯。——此即微机械剥离法

单层石墨烯就是指只有一个 C 原子层厚度的石墨，C—C 间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯是理想的六边形晶格组成二维

晶体结构，利用透射电镜（TEM），原子力显微镜（AFM）

研究表明，这些悬浮的石墨烯片层并不是完全平整，

他们表现出物质微观状态下固有的粗糙，表面会出

现几度的起伏，可能正是这些三维的褶皱巧妙的促

使二维晶体结构稳定存在。石墨烯厚度只有

0.335nm，如果我们把20 万片薄膜叠加到一起也只有一根头发丝那么厚。

3.石墨烯的特点及相应的应用

它是已知材料中最薄的一种，并且比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。eg.如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食

品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛

的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能

承受大约两吨重的物品。————应用：这种物质不仅可以用来开发制造

出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家

梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。

作为单质，它最大的特性是在室温下传递电子的速度比已知导体都快，电

子的运动速度达到了光速的1/300。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，

应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常

相似。————应用：1，这是石墨烯作为纳米电子器件最突出的优势，

可使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能、有助于进一

步减小器件开关时间、（石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很

好的稳定性和电学性能）使探索单电子器件成为可能, 它甚至可能是下一

代纳米电子器件的替代品，用它制成的器件体积更小，消耗的能量更低，电子传输速度更快。2.作为半导体装置的材料

它具有非同寻常的导电性能————应用：适合于高频电路，代替硅生产超级计算机、制作新型超导材料。

生物相容性（各种生物分子和金属蛋白在石墨烯表面能保持原有的结构完整性和生物活性）————应用：1.应用于生物物质的检测，比如谷

胱甘肽、葡萄糖、Au、Pt等，对DNA 链中各类碱基和DNA 的分离、检

测。也应用于基于石墨烯电致化学发光的生物传感器。2，中国科研人员

发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一

点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤。

极好的透光性，透过率也高————应用：用于基于石墨烯的太阳能电池（石墨烯作为其中的透明导电膜，因为其电导率和透光率高）和液晶

显示屏，因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的

透光性。用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,

因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。可以做

起隐身作用的物体外壳

此外，基于石墨烯的双电层电容器又称超级电容器，功率特性良好，被广泛应用于能量转化与存贮领域。

二．哪些方法可以得到石墨烯？

1.机械方法包括微机械剥离法、取向附生法和外延生长法

A.微机械剥离法就是我们上面说到的海姆和诺沃肖洛夫使用的方

法。这种方法能得到高质量的石墨烯，但是其尺寸比较小且不能大规模

生产，而且因为制备的石墨烯薄片的尺寸不容易控制，此法不能确保制

造出尺寸精确厚度的石墨烯样品。 B.取向附生法。取向附生法是利用

生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，

然后冷却，当冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层碳原子“孤岛”布满整个基质表面，最终它们可长成一层

完整的石墨烯。第一层覆盖80%后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与

钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦

合，得到的石墨烯薄片的各项性能均很优异。此制备方法的缺点是：生产

的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的

特性。 C.外延生长法通过加热单晶SiC来脱离出Si原子，然后在0001

面(富硅表面)上制备出超薄的石墨膜。首先，对单晶SiC的表面进行氧化

刻蚀或氢气刻蚀处理，然后在超高真空环境中加热到约1000℃来除去氧

化物，这样就可以得到较为平整的表面。接着将样品加热到1250℃～

1450℃，维持1 min一20 min，SiC表面就会形成一层石墨薄膜,温度须加

热到1475℃以上。这样生成的石墨烯片可以具有理想的电学特性，但所

得到的石墨烯片层数不一，电化学性质很容易受到基底掺杂的影响

2.化学方法是化学还原法与化学解理法。

A.化学还原法也叫氧化还原法，也叫化学剥离法该方法主要采用强酸，

如浓硫酸和发烟硝酸等，将本体石墨进行氧化处理得到石墨的氧化物

（Graphite Oxide），然后通过热力学膨胀或者强力超声进行剥离，得到单

个石墨氧化物，最后利用化学（可使用联氨、水合肼）或其它还原法将氧

化石墨烯( Graphene oxide，GO) 还原为石墨烯。根据氧化剂的不同，常用