石墨烯性能淺析及應(yīng)用前景展望

辛蕾

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安，710000）

石墨烯性能淺析及應(yīng)用前景展望

辛蕾

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安，710000）

作為新型二維平面結(jié)構(gòu)的納米材料，石墨烯表現(xiàn)出不同方面的優(yōu)良性能。石墨烯特殊結(jié)構(gòu)及性能等成為近年研究的熱點(diǎn)。文章綜述了石墨烯不同方面的性能優(yōu)勢(shì)，分析了其目前的應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)今后的發(fā)展前景作出了預(yù)測(cè)。

石墨烯；電學(xué)性能；應(yīng)用趨勢(shì)

引言

石墨烯是2004年發(fā)現(xiàn)的單原子層石墨晶體薄膜。由于在集成電路生產(chǎn)領(lǐng)域，一般認(rèn)為當(dāng)材料結(jié)構(gòu)小于8納米時(shí)，其性能就不能再保持穩(wěn)定，集成電路納米級(jí)產(chǎn)品的生產(chǎn)也已經(jīng)達(dá)到極限，因此這一發(fā)現(xiàn)意義重大。

十多年來(lái)，在石墨烯生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其不僅可以被生產(chǎn)，而且具有穩(wěn)定、堅(jiān)固、電學(xué)性能優(yōu)良等品質(zhì)，應(yīng)用領(lǐng)域較廣，市場(chǎng)前景被看好。

1 結(jié)構(gòu)特征

石墨烯（Graphene）是由一種僅由碳原子通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合而成的二維晶體，只有一層原子厚度，具有穩(wěn)定的蜂巢狀結(jié)構(gòu)。理想的石墨烯材料，每一層基本結(jié)構(gòu)單元都由6個(gè)碳原子構(gòu)成，通過(guò)共價(jià)鍵緊密地結(jié)合在一起，形成一個(gè)平面六邊形點(diǎn)陣［1］。每個(gè)碳原子與3個(gè)相鄰的碳原子之間形成牢固的σ鍵，另外一個(gè)P電子與周圍原子在垂直于石墨烯平面的方向上形成大π鍵。

許多科學(xué)家都嘗試各種方法，希望將石墨烯按層剝離。但由于單層的石墨烯只有一個(gè)原子的厚度，科學(xué)家們的嘗試均以失敗告終。直到物理學(xué)家采用“微機(jī)械法”剝離石墨，獲得了大約包含了100層石墨烯的石墨薄片［2］。隨后，安德烈·K·海姆和科斯塔亞兩位科學(xué)家采用“膠帶撕拉法”首次獲得二維石墨烯片，并證實(shí)其在外界環(huán)境中可穩(wěn)定存在，由此吸引了眾多科學(xué)家的目光。石墨與石墨烯的結(jié)構(gòu)差異見(jiàn)圖1。

圖1　石墨和石墨烯的結(jié)構(gòu)差異示意圖

2 性能優(yōu)勢(shì)

作為材料界的新秀，二維納米碳材料石墨烯表現(xiàn)出諸多非凡性能。例如超薄、比表面積大、導(dǎo)電性優(yōu)良、本征遷移率高和熱傳導(dǎo)率優(yōu)異［3］。石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)極高，且電阻率極小。其結(jié)構(gòu)致密穩(wěn)定，具備良好的力學(xué)性能。

2.1機(jī)械強(qiáng)度

石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度的與石墨烯的厚度相關(guān)，但也受邊緣效應(yīng)和表面缺陷較大影響。目前研究人員已經(jīng)證明，單層石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度可以達(dá)到鋼鐵材料的200倍。而且，目前通過(guò)摻雜，能夠改變石墨烯材料的化學(xué)活性，例如通過(guò)摻雜修飾提高其光學(xué)性能。但與之矛盾的是，石墨烯的力學(xué)剛度和強(qiáng)度卻是隨著摻雜程度增加而下降的，因此，仍有待研究如何既保留高力學(xué)強(qiáng)度，又同時(shí)獲得高化學(xué)活性的石墨烯。

2.2光學(xué)性能

石墨烯幾乎完全透明，單層石墨烯的透光度能夠達(dá)到97.7%，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多層石墨烯的透光效果隨著層數(shù)的增加，反而會(huì)逐漸下降。

作為半金屬材料，石墨烯的價(jià)帶與導(dǎo)帶交于狄拉克點(diǎn)。可用相對(duì)論性的狄拉克方程描述該點(diǎn)附近的電子運(yùn)動(dòng)。基于線性的色散關(guān)系，在本征石墨烯中，入射光頻率不同，但由激發(fā)帶間躍遷產(chǎn)生的光生載流子概率卻相同，因此光電導(dǎo)率固定。化學(xué)摻雜的方式能夠?qū)κ┑馁M(fèi)米能級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并由此調(diào)節(jié)其光學(xué)性質(zhì)。

2.3電學(xué)性能

得益于規(guī)整的結(jié)構(gòu)和緊密的排列，石墨烯電子傳輸性能優(yōu)良。石墨烯具有很高的載流子遷移速率，室溫下已經(jīng)能夠達(dá)到15 000 cm2·V-1·s-1。實(shí)驗(yàn)證明石墨烯的電學(xué)性能根據(jù)其層數(shù)不同而存在明顯差異。且在空氣、潮濕氣體環(huán)境下，石墨烯的電學(xué)性能退化嚴(yán)重，且載流子遷移率減小。

3 應(yīng)用領(lǐng)域探究

由于石墨烯具有優(yōu)良的電性能及良好的透光性，在新能源領(lǐng)域有著巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.1太陽(yáng)能電池

透明導(dǎo)電電極是太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵部位，目前的太陽(yáng)能電池普遍采用氧化銦錫 （ITO）作為透明電極。但是ITO中的金屬離子容易自發(fā)擴(kuò)散，而銦元素是一種稀有資源，不適用于未來(lái)太陽(yáng)能電池的大規(guī)模生產(chǎn)［4］，這些都限制了ITO作為透明電極的發(fā)展。石墨烯則憑借其優(yōu)良的電性能及良好的透光性，成為較好的替代材料。石墨烯一般需制成薄膜材料來(lái)。Chen等［5］發(fā)展了可溶液加工的功能化石墨烯，并將其作為透明電極應(yīng)用到太陽(yáng)能電池中。功能化石墨烯薄膜透光率很高，有利于太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高。將石墨烯作為透光導(dǎo)電極材料，研究人員需要繼續(xù)改進(jìn)石墨烯薄膜的制備方法，從而令石墨烯薄膜的透光學(xué)、電學(xué)性能得到顯著提高。

石墨烯在太陽(yáng)能電池的受體材料方面也得到了用武之地。石墨烯用于混合異質(zhì)結(jié)電池OPSC中的電子傳輸和分離，電子的傳輸和分離要求材料具有良好的電子傳導(dǎo)能力并且穩(wěn)定性優(yōu)良。給體材料、受體材料、金屬電極及表面涂有一層導(dǎo)電聚合物的ITO共同構(gòu)成了基于石墨烯的OPSC。Liu等［6］對(duì)石墨烯進(jìn)行修飾，并使其溶于有機(jī)溶劑中，最終制備成OPSC。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)上的缺陷會(huì)降低石墨烯傳輸電子的能力，而使電子復(fù)合可能性增加，從而不能對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率有明顯貢獻(xiàn)。

石墨烯也能夠被應(yīng)用在各類太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極中，如異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池及DSSC 等。引入石墨烯能夠提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本。

此外，目前石墨烯及其衍生物也能夠作為太陽(yáng)能電池界面材料。在聚合物太陽(yáng)能電池中，Li等［7］將石墨烯作為陽(yáng)極界面層。Yun等［8］通過(guò)采用還原氧化石墨烯的溶液的方法將石墨烯旋涂成膜，并作為陽(yáng)極界面層應(yīng)用于電池中。通過(guò)該種方法處理的石墨烯已證實(shí)能夠獲得極好的導(dǎo)電性能。

石墨烯太陽(yáng)能電池還可通過(guò)光學(xué)減反、化學(xué)摻雜和增加界面功能層等幾類方法來(lái)提高光電轉(zhuǎn)換效率。

3.2燃料電池

石墨烯的表面積大、電子轉(zhuǎn)移速度快，因此也可作為燃料電池電極材料以提高反應(yīng)速率。摻雜和修飾后的石墨烯材料，電極性能得到有效提高。例如通過(guò)N摻雜作為氧還原燃料電池電極材料。Zhang等［9］將表面經(jīng)過(guò)金鉑合金材料修飾過(guò)的石墨烯作為燃料電池電極材料，證實(shí)能夠得到穩(wěn)定的電極電流。此外，將石墨烯表面修飾納米粒子也能獲得較穩(wěn)定的電極電流，Shang等［10］將石墨烯表面修飾鉑納米顆粒，Liu等［11］在石墨烯表面修飾PdAg納米顆粒，證實(shí)用作電極后其性能穩(wěn)定良好。

3.3超級(jí)電容器

石墨烯與導(dǎo)電高分子等材料組成復(fù)合物時(shí)有利于提高電容值，可在超級(jí)電容器上得到應(yīng)用。基于雙電層原理的雙電層型超級(jí)電容器，僅通過(guò)電荷在電容器極板上集聚充電、中和放電，從而使得電容值與電極面積成正比。因此常采用高比表面積的電極材料研制雙電層超級(jí)電容器。導(dǎo)電性高、表面積大且制備成本低的納米材料石墨烯，成為研制超級(jí)電容器的理想材料。

Biswas等將分散在水中的石墨烯于玻璃片上滴干，反復(fù)之后得到沉積膜，并將這種沉積膜用于雙電層超級(jí)電容器中。實(shí)驗(yàn)證明，采用石墨烯復(fù)合材料則能夠顯著提高比電容值。例如，將石墨烯與金屬（氫）氧化物和導(dǎo)電高分子等構(gòu)成復(fù)合物。實(shí)驗(yàn)證明：石墨烯-Ni（OH）2復(fù)合制作的超級(jí)電容器的比電容高達(dá)1335 F/g。

4 市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)

石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)令它擁有很廣闊的前景。由于它致密、高機(jī)械強(qiáng)度、可卷曲，無(wú)疑將給追求超薄、超輕的電子產(chǎn)品行業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)新的變革。華為技術(shù)有限公司曾宣布與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究院合作，研究如何將石墨烯的前沿成果應(yīng)用于電子產(chǎn)品和移動(dòng)通信設(shè)備中。而這些特殊性能不僅能夠用于研發(fā)制造超輕型飛機(jī)，還可以用于研發(fā)防彈衣。在有效提高防護(hù)效果的同時(shí)顯著減輕防彈衣的重量。更有研究人員表明，石墨烯材料將為制造出足夠強(qiáng)韌的纜繩創(chuàng)造可能，而這種纜繩正是克服“太空電梯”研發(fā)困難的關(guān)鍵。

同時(shí)，石墨烯顯著的導(dǎo)電性能優(yōu)勢(shì)也使它在高頻電路中得到應(yīng)用。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：同等體積的電容在加入石墨烯材料后容量能夠擴(kuò)充至少5倍。在鋰電池電極中加入石墨烯亦能使其導(dǎo)電性能顯著提高，它能夠在保持充電電池的大能量密度保持不變的情況下，有效提高輸出密度。有預(yù)測(cè)稱“手機(jī)的鋰離子充電電池在幾分鐘內(nèi)便可充滿電”。目前石墨烯鋰電池有望最早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，電動(dòng)汽車行業(yè)目前的蓬勃發(fā)展也必將帶動(dòng)石墨烯電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

此外，石墨烯是最有可能代替硅的材料，它出色的特性適合用來(lái)研發(fā)超微型晶體管，服務(wù)于超級(jí)計(jì)算機(jī)。研究表明：石墨烯替代硅之后的計(jì)算機(jī)處理器運(yùn)行速度能夠顯著提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為能在環(huán)境中穩(wěn)定存在的獨(dú)立二維碳原子晶體，石墨烯在電學(xué)方面的特性尤其突出，具有很高的應(yīng)用價(jià)值及發(fā)展前景。但研究人員還有很關(guān)鍵技術(shù)需要突破，即如何制備不含缺陷及雜質(zhì)的高品質(zhì)石墨烯。石墨烯要想在更多領(lǐng)域應(yīng)用，研究人員還需努力找尋更為有效的制備工藝。

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辛蕾（1995-），女，漢族，陜西人，西安交通大學(xué)電氣工程專業(yè)。研究方向：絕緣科學(xué)與技術(shù)。

E-mail: 519834399@qq.com

Analysis of Graphene Properties and its Prospect of Applications

Lei Xin
（School of Electrical Engineering， Xi'an Jiaotong University， Xi'an， Shaanxi， 710000， China）

As a new type of two-dimensional planar structure of nano-materials， graphene shows different aspects of the excellent properties. Graphene's special structure and performance is becoming a hot spot of research in recent years. The article summarizes the performance advantages of graphene different aspects，analyzes its current application field， and the future development prospects are also predicted.

Graphene 2D Crystal； Electronic Quality； Application Trend

O613，O484

A

2095-8412 （2016） 04-824-03

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.066