摘要：

石墨烯，英文名Graphene，是從石墨材料中剝離出來(lái)的由碳原子組成的二維晶體，是目前已知世界上強(qiáng)度最高的材料。2008年4月，英國(guó)科學(xué)家宣布他們用石墨烯制造出一種只有1個(gè)原子厚、10個(gè)原子寬的超微型晶體管，從而使石墨烯替代硅材料成為可能。

 

 

石墨烯-簡(jiǎn)介

石墨烯

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結(jié)構(gòu)。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米，把20萬(wàn)片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。它是2004年由曼徹斯特大學(xué)的科斯提亞•諾沃謝夫和安德烈•蓋姆小組首先發(fā)現(xiàn)的。
 

目前有三種方法制備石墨烯，一種是加熱SiC的方法，另一種是輕微摩擦法或撕膠帶法，第三種是化學(xué)分散法。

電子運(yùn)輸

石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖

在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)（如果不是所有的話）物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚態(tài)物理界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無(wú)法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實(shí)驗(yàn)中被制備出來(lái)。這些可能歸結(jié)于石墨烯在納米級(jí)別上的微觀扭曲。

石墨烯還表現(xiàn)出了異常的整數(shù)量子霍爾行為。其霍爾電導(dǎo)=2e²/h,6e²/h,10e²/h.... 為量子電導(dǎo)的奇數(shù)倍，且可以在室溫下觀測(cè)到。這個(gè)行為已被科學(xué)家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對(duì)論量子力學(xué)，沒(méi)有靜質(zhì)量”。 

導(dǎo)電性

石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周?chē)�碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。

石墨烯有相當(dāng)?shù)牟煌该鞫龋嚎梢晕�收大約2.3%的可見(jiàn)光。而這也是石墨烯中載荷子相對(duì)論性的體現(xiàn)。 

機(jī)械特性

石墨烯是人類(lèi)已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家對(duì)石墨烯的機(jī)械特性進(jìn)行了全面的研究。在試驗(yàn)過(guò)程中，他們選取了一些之間在10—20微米的石墨烯微粒作為研究對(duì)象。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個(gè)表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在1—1.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對(duì)這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測(cè)試它們的承受能力。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬(wàn)牛的壓力才能將其扯斷。換句話說(shuō)，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。

電子的相互作用

利用世界上最強(qiáng)大的人造輻射源，美國(guó)加州大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)和勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了石墨烯特性新秘密：石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強(qiáng)烈的相互作用。

科學(xué)家借助了美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“先進(jìn)光源（ALS）”電子同步加速器。這個(gè)加速器產(chǎn)生的光輻射亮度相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上X射線強(qiáng)度的1億倍。科學(xué)家利用這一強(qiáng)光源觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強(qiáng)烈，而且電子和電子之間也有很強(qiáng)的相互作用。

中國(guó)

石墨烯薄膜

在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部和中國(guó)科學(xué)院的資助下，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料研究部研究員成會(huì)明、任文才研究小組在石墨烯的控制制備、結(jié)構(gòu)表征與物性的研究方面取得了一系列新的進(jìn)展，相關(guān)的研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊上。

該論文被美國(guó)化學(xué)會(huì)的ACS Nano雜志選為該期“亮點(diǎn)”進(jìn)行了重點(diǎn)介紹；同時(shí)也被《自然—中國(guó)》選為來(lái)自中國(guó)大陸和香港的突出科研成果，《自然—中國(guó)》化學(xué)領(lǐng)域的評(píng)論員Vicki Cleave博士撰文寫(xiě)道：“來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的任文才、成會(huì)明及其合作者提出了一種快速、無(wú)損、可進(jìn)行大面積石墨烯表征的光學(xué)方法，該工作有助于確定和制備適于應(yīng)用的理想 石墨烯樣品�！� 

韓國(guó)

韓國(guó)研究人員09年7月發(fā)現(xiàn)了一種制備大尺寸石墨烯薄膜的方法。

由韓國(guó)成均館大學(xué)和三星先進(jìn)技術(shù)研究院的研究人員制備出的這種最新石墨烯薄膜有1厘米厚，透光率達(dá)80%；在彎曲或延展過(guò)程中，它不僅不會(huì)斷裂，其電學(xué)特性也不會(huì)有任何改變。 他們的這一成果已于1月14日發(fā)表在英國(guó)《自然》雜志網(wǎng)絡(luò)版上。 

石墨烯的應(yīng)用范圍很廣，從電子產(chǎn)品到防彈衣和造紙，甚至未來(lái)的太空電梯都可以以石墨烯為原料。

1.可做“太空電梯”纜線

據(jù)科學(xué)家稱，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱是人類(lèi)已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，它將擁有眾多令人神往

太空電梯