石墨烯的研究進展概述

蘭耀海

摘 要：由于石墨烯具有獨特的結構和優越的性能，現己逐漸應用于電子材料、薄膜材料、儲能材料、液晶材料、催化材料等先進的功能材料領域。石墨烯復合材料是石墨烯應用研究中的重要領域，近年來已成為材料研究的熱門領域。文章主要對石墨烯的物理化學性質、制備方法、石墨烯復合材料以及應用領域進行簡單總結，并對未來石墨烯復合材料的發展做一展望。

關鍵詞：石墨烯；復合材料；研究進展

1 石墨烯的物理化學性質

石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直到2004年，英國科學家成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，從而證實它可以單獨存在。石墨烯具有特殊的單原子層結構和奇特的物理性質：強度達130GPa、熱導率約5000J/（m·K·S），禁帶寬度幾乎為零、載流子遷移率達到2×105cm2/（V·s），具有極高的透明度（約為97.7%）、表面積的理論計算值為2630m2/g，石墨烯的楊氏模量（1100GPa）和斷裂強度（125GPa）與碳納米管相當，它還具有分數量子霍爾效應、量子霍爾鐵磁性和零載流子濃度極限下的最小量子電導率等一系列優良性質。

石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收大約2.3%的光。石墨烯的物理性能優越可以翹曲成零維的富勒烯，卷成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨。石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，理想的石墨烯結構是平面六邊形點陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，這賦予石墨烯良好的導電性。

2 石墨烯的制備方法

自從2004年曼徹斯特大學的研究小組發現了單層及薄層石墨烯以來，石墨烯的制備引起學術界的廣泛關注。由于二維晶體結構在有限溫度下是極不穩定，而考察石墨烯的基本性質并充分發揮其優異性能需要高質量的單層或薄層石墨烯，這就要求尋找一種石墨烯的制備方法來滿足日益增長的研究及應用需求。

目前石墨烯的制備方法主要劃分為三類：第一類為化學剝離法，這種方法通過制備氧化石墨作為前軀體，使用化學還原，溶劑熱還原，熱膨脹還原等手段得到對應的石墨烯。第二類為合成法，包括有機前軀體合成和溶劑熱合成兩種方法。第三類為催化生長法，包括碳化硅外延生長，氣相沉積等方法。有的文獻將石墨烯的制備方法分為機械剝離法、化學氧化法、晶體外延生長法、化學氣相沉積法、有機合成法和碳納米管剝離法等。目前石墨烯的制備方法還有高溫還原、光照還原、外延晶體生長法、微波法、電弧法、電化學法等。

3 石墨烯的應用領域

石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，據測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（約為100納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂，石墨烯同時也是世界上導電性最好的材料。石墨烯的應用范圍廣闊。根據石墨烯超薄，強度超大的特性，石墨烯被廣泛應用于各領域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機材料等。根據其優異的導電性，使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。科學家發現，石墨烯還是目前已知導電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路，高頻電路是現代電子工業的領頭羊，一些電子設備，例如手機行業中，由于工程師們正在設法將越來越多的信息填充在信號中，這就被要求使用越來越高的頻率，然而手機的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升也便受到很大的限制。由于石墨烯的出現，高頻提升的發展前景變得廣闊，這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，用來生產未來的超級計算機。

2010年，清華大學的科研人員首次將石墨烯覆蓋在傳統的單晶硅材料上，研究發現其具有優異的光電轉換性能。石墨烯-硅模型材料還可以進一步拓展為石墨烯與其他半導體材料的結構，這種可以將石墨烯與傳統材料結合的模型，為石墨烯的實際應用具有重要的推動作用。由于導電的石墨烯的厚度小于DNA鏈中相鄰堿基之間的距離以及DNA四種堿基之間存在電子指紋，因此，石墨烯有望實現直接的，快速的，低成本的基因電子測序技術。石墨烯有望幫助物理學家在量子物理學研究領域取得新突破。

4 石墨烯復合材料

基于石墨烯的復合材料是石墨烯應用領域中的重要研究方向，其在能量儲存、液晶器件、電了器件、生物材料、傳感材料和催化劑載體等領域展現出了優良性能，具有廣闊的應用前景。目前石墨烯復合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復合材料和石墨烯基無機納米復合材料上，而隨著對石墨烯研究的深入，石墨烯增強體在塊體金屬基復合材料中的應用也越來越受到人們的重視。根據石墨烯與聚合物的相互作用方式不同，可將石墨烯聚合物復合材料分為石墨烯填充聚合物復合材料、層狀石墨烯聚合物復合材料和功能化聚合物復合材料等。

5 石墨烯的發展展望

近幾年，石墨烯逐漸引起了我國政府、學術界和企業界的高度重視。2012年，工業和信息化部發布的《新材料產業“十二五”發展規劃》，規劃中的前沿新材料就包含了石墨烯。雖然現階段我國石墨烯尚沒有形成大規模量產，也沒有形成規模化的應用，但它作為新材料板塊在“十二五”規劃出臺后的首個熱點，有望通過市場的關注形成良好的產業帶動效應。此外，國家科技重大專項、國家超級電器石墨烯等方向也部署了一批重大項目，取得了一系列創新成果，我國的國際影響力也逐步提升，同時國家自然科學基金也啟動了多項重大科研計劃，并取得了相應的成果。石墨烯以其優良的性能，正逐漸成為市場關注的焦點。

參考文獻

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