石墨烯材料的特性及應用研究

沈一浩

摘要：隨著穩定的石墨烯成功分離，當前關于石墨烯材料的應用研究越來越多，石墨烯材料開始被廣泛應用于化學工業生產、電子產品生產以及醫學生物研究等多個領域。本文主要介紹了石墨烯材料的電子效益、力學特性、熱性能以及光學特性等方面的特征，并對當前石墨烯材料的主要應用方向進行了介紹。

關鍵詞：石墨烯材料;材料特性;材料應

一、石墨烯的主要特性

（一）電子效應

石墨烯載流子運動速度非常迅速，在常溫狀態下石墨烯材料其載流子的遷移速度是硅材料的10倍，不僅如此，石墨烯材料載流子運動速度受到環境溫度的影響非常小，這主要基于，石墨烯材料的載流子遵循一種特殊的量子隧道效應，這使得石墨烯材料的載流子遇到雜質時，極少產生背散射，正是基于石墨烯材料的電子特性，使石墨烯材料具備了更好地性能、更強的散熱性以及耗電量少的特點，因此，相關學者認為，在未來石墨烯材料極有可能取代硅材料，成為最為主要的電子半導體生產材料。

（二）力學特性

石墨烯材料是目前已經發現的所有材料中強度最高的材料之一，而與其他高強度材料相比，更為特殊的是石墨烯材料還具備較好的韌性，基于石墨烯材料的這一力學性能，石墨烯材料目前正被應用于制備高強度材料應用領域以及壓力傳感器測試領域，不僅如此，將石墨烯材料應用于宇航器制造領域，將石墨烯材料與相關金屬材料制成復合材料，則能夠大大提升原有宇航器制作材料的拉伸性，這對于航天航空領域的發展具有重要意義。

（三）熱性能

石墨烯具有非常強的熱傳導能力，當石墨烯材料作為熱傳導載體時，其導熱系數也可達600 W/mK，正是由于石墨烯材料所具備的這一性能，石墨烯材料具有了良好的散熱功能，將其應用于電子設備中，能夠幫助電子設備實現快速散熱，從而避免電子設備因溫度過高導致其性能和運行效率降低等問題。

（四）光學特性

薄層石墨烯材料具有良好的透光性，其光透過率高達97.7%，幾近透明，不僅如此，石墨烯材料還具有良好的導電性能，由于石墨烯材料同時具備高透光性以及良好的導電性能，因此，石墨烯材料開始的被應用于觸屏膜以及柔性顯示研發領域，并取得了一定的進展，有望在未來取代ITO材料成為未來顯示屏幕領域最關鍵的材料之一。

二、石墨烯材料的主要應用途徑

（一）代替硅生產電子產品

目前晶體管主要使用硅材料進行生產，但是在電子設備運行的過程中，由于電子進行激烈運動，因此設備會出現發熱現象，而在發熱狀態下電子設備的性能將在一定程度上下降，這在一定程度上阻礙了電子設備的發展，而石墨烯材料在電子設備的運行過程中，由于電子在石墨烯材料中運行受到的阻礙非常少，因此電子之間由于運動摩擦所產生的熱量就比較小，加之石墨烯材料具有非常好的導電性，因此石墨烯材料對于提升和推動電子設備的發展具有廣闊應用前景。

（二）石墨烯材料在柔性顯示中的應用

由于石墨烯材料具有良好的透光性、以及導電性，石墨烯材料在顯示屏幕領域具有廣闊的發展前景，而更為重要的是，石墨烯材料在具備成為顯示屏幕潛力的同時，石墨烯材料本身還具有較強的韌性，能夠被彎曲，這使得石墨烯材料制成的相關顯示屏幕具備了可折疊性和可穿戴性，這對于可穿戴電子產品以及可折疊的電子產品研發而言具有重要意義。

（三）石墨烯材料在傳感器中的應用

由于石墨烯獨特的電子效應，使石墨烯在高靈敏檢測領域具有非常廣闊的應用前景。根據相關研究表明，目前石墨烯材料所制成的傳感器不僅能夠測量生物體內的小分子，同時還能夠測量生物體內的DNA等大分子，且相對其他傳感器而言，石墨烯材料所制成的傳感器感應速度更快，傳輸速度更高，對于傳感器領域整體性能的提升具有重要作用。

（四）石墨烯材料在復合材料方面的應用

石墨烯復合材料目前主要有三類，一是石墨烯金屬納米復合材料;二是石墨烯高分子材料;三是石墨烯無機復合材料。首先，石墨烯金屬納米復合材料主要被用于催化劑，相對于其他催化劑而言，石墨烯金屬納米催化劑的催化速度更快，毒性更小，這對于我國化學工業的發展具有重要意義;其次，石墨烯高分子材料也具有廣闊的應用場景，例如，將石墨烯添加到導電橡膠和塑料中，能夠在一定程度上減少電線電阻，這對于降低電力運輸過程中出現的電力損耗具有重要意義;最后，目前在研究領域對于石墨烯無機復合材料的研究相對較少，但是石墨烯具有較高程度的韌性且透光性較好，這使得石墨烯與其他無機金屬材料復合而成材料在柔性顯示領域將具有較強的應用前景。

（五）石墨烯材料在生物醫學中的應用

在藥物載體、基因測序、生物傳感器等方面的應用前景廣闊。石墨烯材料在成為可控釋放性藥物及靶向治療藥物方面具有重要的應用前景，這主要基于部分靶向治療藥物能夠較好地溶于石墨烯材料中，其石墨烯材料相對其他載體而言能夠承擔更大劑量的藥物運輸。由于石墨烯材料制作而成的傳感器能夠檢測多種生物分子，且其檢測的效率非常高，因此，石墨烯材料在生物傳感器感應等方面具有重要作用。

（六）石墨烯材料在環保領域中的應用

由于石墨烯金屬材料屬于一種催化劑，而且石墨烯金屬材料還具備較好的吸附性，因此石墨烯材料能夠可作為催化劑催化污染氣體的轉化，并同時吸附空氣中的部分有害物質，達到治理空氣污染的效果，除此之外，石墨烯在治理水污染方面也具有重要作用，石墨烯材料不僅能夠作為催化劑轉化水中的金屬離子，同時還能夠吸附水中的有害物質。

三、總結

盡管石墨烯材料具備諸多特性，這些特性使得石墨烯材料在電子設備、環保、生物醫療等領域都具有廣闊應用前景，但是，目前石墨烯在這些領域的應用還屬于研究階段，并未廣泛應用于實踐過程中，因此，需要進一步加強對石墨烯材料的研究，發現石墨烯材料很多的潛在性能，并加強石墨烯在各領域的應用研究，以及石墨烯材料應用在各個領域中的推廣。

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