探析石墨烯的物理性質和應用

趙炳睿??

摘 要：作為新型納米材料的石墨烯是從石墨中提取出來的，具有科學研究價值大以及實用性強的優勢，并在物理應用以及電子科技等眾多行業中得到了廣泛運用。雖然石墨烯研究成功時間較短，但是其經過深度研究與發展之后，可以代替硅膠材料以及晶體管的使用。本文通過介紹石墨烯的組成結構和物質理性，深入探尋石墨烯的應用方向。

關鍵詞：石墨烯；物理性質；結構；應用

石墨是人們日常生活中的常見物品之一，多層蜂窩狀的平面碳原子按照一定的順序和規律排列組合在一起也就形成了石墨，其實，石墨中平面碳原子的性能比較穩定，相互作用力很小，這也是石墨大多以石墨片為主要形狀的原因。石墨烯可以簡單理解為是只有一個碳原子厚的石墨片。石墨烯的科學研究時間較長，但在最開始時，石墨烯因自身性能的不穩定性而只能依附于其他物體，21世紀初期，石墨烯的成功剝離在物理學界乃至全世界產生了巨大的影響，并引起石墨烯科學研究的高潮，即使直到現在，世界各國對石墨烯研究的關注度也從未減少。

一、 簡單介紹石墨烯的結構

單從字面就可以看出石墨烯和石墨必然存在密不可分的聯系，作為晶體材料的石墨烯是有許多蜂窩狀、排列整齊的單層碳原子組成，晶格內的3個σ鍵是連接不同碳原子的關鍵所在。碳原子內的π電子可以相互作用并在特定區域內自由活動，這決定了石墨烯必然會具有較強的導電性。

然而，單純從熱力學角度而言，二維晶體結構的穩定性較差，不管其以何種形態存在，其表面都會有一些細微的褶皺，極不平整，但也正是因為這種特性，才能讓其產生靜電，從而增強對單層Graphene的吸引力和凝聚力。不同石墨烯的表層褶皺程度并不完全相同，進而導致其光學和電學性質會有一些區別和差異。世間任何事物都并非十全十美，石墨烯也不例外。雖然石墨烯科研潛力巨大，但是雜原子、空洞等自身存在的缺陷也會讓石墨烯的力學和導熱性能大打折扣，因此，科研人員大多會用專門的手段和技術來盡可能地消除這些缺陷，為制作出更高質量和標準的石墨烯器件提供基本的保障。

二、 簡單介紹石墨烯的物理性質

（一） 導電性能

石墨烯是有大量碳原子組成的，而碳原子中存在的未成鍵π電子具有獨立性，石墨烯碳原子中的π電子之間相互作用，并形成可以讓電子自由移動的與平面相垂直的軌道，賦予石墨烯以較強的導電性能。正常條件下，石墨烯電流載體遷移率已經超出人們的想象，甚至可以用光速來計算，在最佳理想狀態下，石墨烯電流載體遷移率也會提高，是硒化鉛等半導體材料所無法比擬的。除此之外，石墨烯還具有許多其他的電學性質，比如電子傳輸性等。

（二） 機械性能

石墨烯研究力量并不均衡，對于石墨烯機械性能的研究主要以石墨烯復合材料的研究為主。相關研究表明，添加了石墨烯的聚合物復合材料的強度遠遠高于沒有添加石墨烯的聚合物復合材料。只需要添加極少量的石墨烯，就可以讓復合材料的強度以及模量提高二分之一甚至一倍。另外，經過氧化處理的石墨烯的斷裂強度較高，這也是石墨烯水凝膠研制成功的基礎和前提條件。具有大共軛結構的石墨烯讓許多π電子聚集在一塊兒，加強了石墨烯片的緊密性和連接性，從而讓石墨烯水凝膠的強度大幅度高于其他類型的凝膠。

（三） 透光性能

單層石墨烯的厚度低于0.34 nm，這也是石墨烯具有透光性的主要原因。此外，相關研究發現，單層石墨烯吸光性較低，甚至可以忽略不計，透光性較高，雙層石墨烯的透光性略微低于單層石墨烯的透光性，于是，石墨烯在透明導電薄膜中的應用越來越廣泛。

（四） 導熱性能

常溫狀態下的單層石墨烯熱導率系數比高溫狀態下碳納米管的熱導率系數還要高，因而，石墨烯并廣泛運用到降溫材料研制中。

三、 石墨烯的應用

（一） 石墨烯在電子領域中的廣泛應用

具有較強導電性、透光性以及機械性的石墨烯成為當前電子產品原件的主要制作材料之一。科研人員根據石墨烯的導電性能，將其應用于高頻電路之中，為電子工業的未來發展指明新的方向。電子設備使用頻率與產生的熱量成正相關性，限制了高頻的提高，石墨烯的出現則打破了高頻提升的限制，拓寬了微電子領域未來發展以及應用空間。

（二） 石墨烯在生物制藥行業的廣泛使用

石墨烯的特性符合藥物載體的要求，PEG功能化石墨烯的研制成功讓石墨烯具有較強的水溶性，可以在血液等環境中按照預定設想發揮作用。

（三） 石墨烯在光電領域中的運用

石墨烯和優質非線性光學材料的特性具有較強的一致性，被認為是當前時期發展潛力巨大的FET等光電器件的材料。

四、 小結

加強石墨烯科學研究力度，深入挖掘石墨烯的應用價值，加快石墨烯的科研和推廣使用的速度，助推醫學制藥、電子產品制造、光電功能材料等多個行業的快速發展。

參考文獻：

[1]黎紅，譚宏成，王敏，等.氮摻雜枸杞碳量子點的光譜性質及磁性量子點制備初探[J].樂山師范學院學報，2017（12）.

[2]藍秋明，李嘉寶，何鑫，等.石墨烯/銀納米線復合透明導電薄膜光電性能及穩定性研究[J].人工晶體學報，2015（12）：3788-3792，3798.

[3]羅玉峰，賴建鴻，徐順建，鐘煒，肖宗湖，羅永平.二維石墨烯制備方法研究進展[J].新余學院學報，2013（4）.

作者簡介：

趙炳睿，山東省濰坊市，濰坊中學高三2016級20班。