关于石墨烯相关研究

摘 要：石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状（honeycomb）晶格结构的一种炭质新材料。20世纪80年代，科学家们开始认识到石墨烯可以作为 （2+1）维量子电动力学的理想理论模型。但一直以来人们普遍认为这种严格的二维晶体结构由于热力学不稳定性而难以独立稳定的存在。研究发现，在不需要任何传统化学稳定剂的情况下，石墨烯可以在水中稳定地分解分层，有望应用于可减少静电现象的涂层的研制。

关键词：石墨 热学和电学性质 应用 表征

1.石墨烯性质

石墨烯是一种稳定材料.在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来，这归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，即六边形晶格中的碳原子全都没有丢失或发生移位。各个碳原子问的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。因此，碳原子就不需要重新排列来适应外力，也就保持了结构的稳定。稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，石墨烯中电子是没有质量的，而且是以恒定的速率移动，石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。

2. 石墨烯的合成

最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。即用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。但此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。

取向附生法则是利用生长基质的原子结构“种”出石墨烯，但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。Peter W.Sutter等使用的基质是稀有金属钌，首先让碳原子在1 150℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“孤岛”布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖80%后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。

3.石墨烯的应用

2005年，研究组发现，室温下石墨烯具有l0倍于商用硅片的高载流子迁移率（约10 am /V・s），并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性（300 K下可达0.3 m），此外，与目前电子器件中使用的硅及金属材料不同，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。

荷兰科学家则报道了第一个石墨烯基超导场效应管，发现在电荷密度为零的情况下石墨烯还是可以传输一定的电流可能为低能耗，开关时间快的纳米尺度超导电子器件带来突破。与一维纳米材料相比，石墨烯基电子器件的显著优势是整个电路，包括导电通道、量子点、电极、势垒、分子开关及联结部件等，可在同一片石墨烯上获得，有可能避免一维材料基器件中难以实现的集成问题。马里兰大学纳米技术和先进材料中心的物理学教授Michael S.Fuhrer领导的研究小组称，他们首次测量了石墨烯中电子传导的热振动效应，发现的结果显示石墨烯中电子传导的热振动效应非常细微。在任何材料中，温度和能量会引起电子的振动。电子穿过材料时，它们会试探振动的电子，诱发了电子的反作用力。这种电子的反作用力是材料的固有属性，不能被消除，除非冷却到绝对零度，热振动效应对传导性有重要的影响。

4. 石墨烯的表征

单层石墨烯之所以至今才被人们发现，是因为表征手段的限制。目前表征石墨烯的有效手段主要有：原子力显微镜、光学显微镜、Raman光谱。原子力显微镜的应用使得观测到单层石墨烯成为可能。单层石墨烯由于其厚度只0.335nm，在扫描电子显微镜（SEM）中很难被观测到，只有在原子力显微镜（AFM）中才能清晰的观测到。原子力显微镜是表征石墨烯材料的最直接有效的手段。

然而基于微机械剥离方法制得的石墨烯，产量很低，并且在微量的剥离物中掺杂着很多多层石墨片，直接用原子力显微镜观测，效率很低。Geim等发现单层石墨烯附着在表面覆盖着一定厚度（300nm）的Si02层Si晶片上，在光学显微镜下便可以观测到。这是由于单层石墨层和衬底对光线产生一定的干涉，有一定的对比度，因而在光学显微镜下可以分辨出单层石墨烯。利用光学显微镜观测石墨烯，为石墨烯的表征提供了一个快速简便的手段，使得石墨烯得到进一步精确表征成为可能。Raman光谱表征石墨烯的应用，使得石墨烯层数可以得到精确的表征。Raman谱的形状、宽度和位置与其层数相关，提供了一个高效率、无破坏的测量石墨烯层数的表征手段。石墨烯和石墨本体一样在1580cm，（G峰）和2700cm（2D峰）2个位置有比较明显的吸收峰，相比石墨本体，石墨烯在1580cm处的吸收峰强度较低，而在2700cm 处的吸收峰强度较高，并且不同层数的石墨烯在2700cm 处的吸收峰位置略有移动。

5. 展望

随着人们对石墨烯研究的不断深入以及制备方法的改进，石墨烯在复合材料、纳米器件和储氢材料等领域得到了广泛的关注。与此同时，人们需要大量结构完整的高质量石墨烯材料。这就要求提高现有制备工艺的水平。如何大量、低成本制备出高质量的石墨烯材料应该是未来研究的一个重点。

参考文献

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作者简介：李志鹏（1992―），男，汉族，山东青岛人，毕业于青岛大学化工学院。