石墨烯目前研究成果（科學界的明星石墨烯）

2023-07-06 23:07:21 4

近年來，我們經常聽見石墨烯這個名詞，在各種媒體也經常看到各種研究進展的公布，並且聽見報導說它能如何如何的改變我們的生活。那麼，石墨烯到底是一個什麼東西，真的就有這麼厲害嗎？它是如何在科學界發揮它的作用，現在能不能又能不能商業應用呢？那麼我們就來一起了解科學界的明星——石墨烯

我們都知道什麼是碳，碳是一種非金屬元素，位於元素周期表的第二周期IVA族。拉丁語為Carbonium，意為「煤，木炭」。碳是一種很常見的元素，它以多種形式廣泛存在於大氣和地殼和生物之中。或許你還知道什麼是石墨，但是石墨烯就不了解了，事實上，石墨烯就是由碳元素組成的，只是結構與普通的碳不一樣，就好比我們熟知的鑽石，事實上也是碳的一種，只是碳原子的空間結構不一樣。

鑽石中碳原子結構

石墨烯是從石墨中分離出來的，是一種單原子層二維碳納米材料，層內碳原子之間以共價鍵相連，呈現蜂窩狀晶格結構，石墨是一種常見的礦物，是由許多層碳原子組成，具有層狀結構，層與層之間可以相互剝離，因此，石墨可以用來製作鉛筆，書寫過程中由於層間的脫落留下書寫痕跡。石墨對於我們來說是非常常見的物質。而石墨烯便是納米尺寸的單層二維結構。

石墨礦物

石墨的層狀原子結構

石墨烯的結構如下圖所示，碳原子以六元環的形式排列在同一平面內。碳原子之間以 δ 鍵的形式互連，每個碳原子都會形成三個 δ 鍵，從而使石墨烯能夠擁有良好的機械性能。碳原子周圍剩餘的價電子會形成與碳平面垂直的共軛大 π 鍵，因此電子可在石墨烯平面間自由移動，這也保證了石墨烯具有優良的導電性能。石墨烯中的長程共軛 π 鍵使其擁有良好的熱力學性能、機械性能和導電性能。

石墨烯原子結構

大Π鍵的形成

2004年，Science雜誌首次報導了曼徹斯特大學的Andre Geim和Konstantin Novoselov成功分離出穩定的石墨烯，並論述了石墨烯材料的基本性質。長期以來，人們一直認為單原子層的二維材料是不穩定的，所以不可能在自然界中獲得。 直到2004 年 Novoselov 等用一種非常簡單的膠帶剝離法將石墨剝離成單層的石墨烯，從此開啟了石墨烯等二維納米材料的新時代。他們關於石墨烯的研究被授予2010年諾貝爾物理獎，轟動世界，推動了石墨烯材料的研究，促進了石墨烯在物理、化學、材料、生物醫學和環境方面的研究。 石墨烯商業化的新產品也不斷出現。多國政府把石墨烯材料立為國家重點發展對象，關於石墨烯材料的投資也越來越多。近年來關於石墨烯的研究報導呈指數上升，同時很多疑問和困惑也相繼產生。

1.導電性

石墨烯結構非常穩定，迄今為止，研究者仍未發現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，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了結構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來源子而發生散射。由於原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯中電子受到的幹擾也非常小。石墨烯最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱為「載子」的性質和相對論性的中微子非常相似。

2.機械特性

石墨烯是人類已知強度最高的物質，比鑽石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。並且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達1.0TPa，固有的拉伸強度為130GPa。而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強度，平均模量可達0.25TPa，不過它的斷裂強度並沒有報導。此外，目前人們組裝成了一種紙狀材料。這種材料的平均彈性模量和最大斷裂強度分別達到了32GPa和120 MPa。

石墨烯碳納米管

3.熱性能

石墨烯具有非常好的熱傳導特性。純的無缺陷的單層石墨烯的導熱係數高達5300W/mK，是目前為止導熱係數最高的碳材料，高於單壁碳納米管（3500 W/mK）和多壁碳納米管（3000 W/mK）。當它作為載體時，它的導熱係數也可達600W/mK。

由於能將電子產品運行中產生的大量熱量快速擴散到空氣中，使其獲得更好的工作性能和穩定性，石墨烯在電子設備散熱應用中具有非常廣闊的前景。由於具備高的熱電轉化效率及獨特的物理化學性質，石墨烯吸引了眾多科學家的目光。最近的研究發現，由於石墨烯的透明性、柔性、可快速加熱以及石墨烯片層上溫度的均勻性，石墨烯被視為理想的加熱元件。

現在的很多智能旗艦手機就使用石墨烯貼片為手機散熱，從而充分發揮手機性能。

手機使用石墨烯散熱

代替矽生產半導體晶片

目前，電晶體由昂貴的矽製成，在電子設備中應用時會產生熱量，且運轉速度越快，電子高速碰撞就會越激烈，產生的熱量也越多，這也是限制電子產品運轉速度的一個重要因素。由於室溫下的量子自旋霍爾效應，電子在石墨烯中穿行沒有任何阻力，產生的熱量也很少，而且石墨烯本身具有較高的熱導率，產生的熱量也會很快散掉，因此石墨烯電子產品比矽具有更高的運行速率。石墨烯還可用來製備射頻電晶體，目前射頻電晶體主要採用半導體材料矽或更貴的磷化銦，在相同的工作電壓下，電子在石墨烯中的速度是在磷化銦中的10 倍、矽材料中的100倍。

半導體晶片

研究者們還證明了在石墨烯中摻雜一定數量的多電子型分子可改變石墨烯的電化學特性，並在此基礎上製備了n型電晶體，向石墨烯基電路邁出了關鍵一步。據估計，石墨烯晶片處理器的頻率有望達到1 THz以上。雖然目前石墨烯的研究仍處於基礎研究階段，但由於其優異的性能以及製備石墨烯的原料是價格低廉的石墨，因此用石墨烯替代矽製造電子產品的應用前景十分廣闊。

柔性顯示

石墨烯由於具有很好的導電性和透明性，可彎折且機械強度好，使其在柔性顯示領域有著廣闊的應用前景。相較於ITO，石墨烯具有更佳的柔性及透光性。這種超柔性的石墨烯層讓許多產品得以實現，包括可摺疊的電子產品、柔性觸控螢幕和可穿戴設備。

柔性顯示屏

鋰離子電池

常規鋰電池的非碳基負極材料主要包括錫基、矽基及其它過渡金屬材料，在鋰電工藝中，由於充放電過程中的熱脹冷縮以及應力的變化，負極材料易發生脫落、破裂等現象，導致循環性能大幅下降。加入石墨烯改性的複合材料後，不僅可以提高材料的穩定性、導電性、儲鋰容量，還可增加其使用壽命，這符合電池工業的發展理念。同時，由於具有優異的導電性能和機械性能，石墨烯也可應用於鋰電池的正極材料。應用石墨烯，可改進一些儲鋰能力高但導電率低的材料的性能，還可增強正極材料的機械性能，提高其使用壽命。石墨烯也可用於電極材料的添加劑，增強添加劑的導電能力，提高其循環性能和高倍率性能。通過不斷的實驗和研究，石墨烯可逐步替代石墨、乙炔黑等常規電池添加劑。

石墨烯對於現代工業的影響非常巨大，不僅涉及到工業，還有軍事等，石墨烯從 2004 年被人們發現到現在十幾年的時間裡，因其獨特的力學、光學和電學等物理化學性能吸引著世界眾多科學家的目光。 正是由於石墨烯在材料領域的迅速興起， 一些在結構上與其相似的二維納米材料（例如氮化硼、二硫化鉬和黑磷等）也得到蓬勃發展， 整個二維納米材料大家族引起了全世界科學家的關注。目前，雖然有關石墨烯製備方法的報導很多， 但是由於各種製備方法的局限性限制了石墨烯的應用研究和工業化發展， 如何找到一種低成本大規模生產高質量石墨烯的方法仍然是當前石墨烯研究的重點。另外，加速石墨烯的功能化以及複合材料的研究也可以擴寬它的應用領域。 隨著科學家們研究的不斷深入，石墨烯及其複合材料在新能源材料、生物醫學、淨水、納米電子器件等領域將具有廣闊的應用前景。