石墨烯.docx

1、石墨烯石墨烯 石墨烯声明：百科词条人人可编辑，词条创建和修改均免费，绝不存在官方及代理商付费代编，请勿上当受骗。详情>>石墨烯 （二维碳材料） 编辑本词条由“科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目 审核 。石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈盖姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD

2、）。1 由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。中文名 石墨烯 外文名 Graphene 发现时间 2004年 主要制备方法 机械剥离法、气相沉积法、氧化还原法、SiC外延法 主要分类 单层、双层、少层、多层（厚层） 基本特性 强度柔韧性、导热导电、光学性质 应用领域 物理、材料、电子信息、计算机等目录1 研究历史2

3、理化性质? 物理性质? 化学性质3 制备方法? 粉体生产方法? 薄膜生产方法4 主要分类? 单层石墨烯? 双层石墨烯? 少层石墨烯? 多层石墨烯5 主要应用? 基础研究? 晶体管? 柔性显示屏? 新能源电池? 航空航天? 感光元件? 复合材料6 发展前景? 中国? 美国? 欧洲? 韩国? 西班牙? 日本研究历史编辑实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈盖姆（Andre Geim）和克斯特亚诺沃消洛夫（K

4、onstantin Novoselov）发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此，在随后三年内，安德烈盖姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为

5、，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体物理学学术界。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。2 理化性质编辑物理性质力学特性石墨烯是目前已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可大0.25TPa。3 由石墨烯薄片组成的石墨纸拥有很多的孔，因而石墨纸显得很脆，然而，经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨纸则会异常坚固强韧。3 电子效应石墨烯在室温下的载

6、流子迁移率约为15000cm2/（V-s），这一数值超过了硅材料的10倍，是目前已知载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/（V-s）。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm2/（V-s）左右另外，石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场作用改变化学势而被观察到，而Novoselov等在室温条件下就观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。4 石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生

7、背散射，这是石墨烯局域超强导电性以及很高的载流子迁移率的原因。石墨烯中的电子和光子均没有静止质量，他们的速度是和动能没有关系的常数。3 热性能石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管（3500W/mK）和多壁碳纳米管（3000W/mK）。当它作为载体时，它的导热系数也可达600W/mK。3 导热系数实验值电阻系数和温度系数光学特性石墨烯具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3%，看上去几乎是透明的。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加2.3%。大面积的石墨烯薄膜同样具有优异

8、的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。这是单层石墨烯具有不寻常的低能电子结构。电子和空穴的锥形带在狄拉克点相遇的结果。在室温下对双栅极双层石墨烯场效应晶体管施加电压，石墨烯的带隙可在00.25eV间调整。施加磁场，石墨烯纳米带的光学响应可调谐至太赫兹范围。5 线性光学性质：单层石墨烯的吸光率很高，对从可见光到太赫兹宽波段每层吸收2.3%光。非线性光学性质：当入射光的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和。这些特性可以使得石墨烯可以用来做被动锁模激光器。6 溶解性：在非极性溶剂中表现出良好的溶解性7 其他性质：可以吸附和脱附各种原子和分子8 ，具有超疏水性和超亲油性9-

9、10 化学性质石墨烯的化学性质与石墨类似，石墨烯可以吸附并脱附各种原子和分子。当这些原子或分子作为给体或受体时可以改变石墨烯载流子的浓度，而石墨烯本身却可以保持很好的导电性。但当吸附其他物质时，如H+和OH-时，会产生一些衍生物，石墨烯的导电性变差，但这并不是产生了新的化合物。可以利用石墨来推测石墨烯的性质。例如石墨烷的生成就是在二维石墨烯的基础上，每个碳原子多加上一个氢原子，从而使石墨烯中sp2碳原子变成sp3杂化。3 氧化性：可与活泼金属反应，或是在空气中被氧化11 还原性：可被氧化性酸氧化，通过该方法可以将石墨烯裁成小碎片12 加成反应：利用石墨烯上的双键，可以通过加成反应，加入需要的基

10、团1 稳定性：石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小13 芳香性：石墨烯具有芳香性，具有芳烃的性质7 制备方法编辑石墨烯分为石墨烯粉体和石墨烯薄膜两大类。常见的石墨粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生

11、长法。石墨烯薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。粉体生产方法1、机械剥离法机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单，得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构。2004年英国两位科学使用透明胶带对天然石墨进行层层剥离取得石墨烯的方法，也归为机械剥离法，这种方法一度被认为生产效率低，无法工业化量产。14 2、氧化还原法氧化还原法是通过使用硫酸、硝酸等化学试剂及高锰酸钾、双氧水等氧化剂将天然石墨氧化，增大石墨层之间的间距，在石墨层与层之间插入氧化物，制得氧化石墨（Graphite Oxide）。然后将反应物进行水洗，并对洗净后的固体进行低温干燥，制

12、得氧化石墨粉体。通过物理剥离、高温膨胀等方法对氧化石墨粉体进行剥离，制得氧化石墨烯。最后通过化学法将氧化石墨烯还原，得到石墨烯（RGO）。这种方法操作简单，产量高，但是产品质量较低。氧化还原法使用硫酸、硝酸等强酸，存在较大的危险性，又须使用大量的水进行清洗，带大较大的环境污染。使用氧化还原法制备的石墨烯，含有较丰富的含氧官能团，易于改性。但由于在对氧化石墨烯进行还原时，较难控制还原后石墨烯的氧含量，同时氧化石墨烯在阳光照射、运输时车厢内高温等外界每件影响下会不断的还原，因此氧化还原法生产的石墨烯逐批产品的品质往往不一致，难以控制品质。15 3、（碳化硅）SiC外延法SiC外延法是通过在超高真空

13、的高温环境下，使硅原子升华脱离材料，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可以获得高质量的石墨烯，但是这种方法对设备要求较高。16 薄膜生产方法化学气相沉积法即（CVD）是使用含碳有机气体为原料进行气相沉积制得石墨烯薄膜的方法。这是目前生产石墨烯薄膜最有效的方法。这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点，但现阶段成本较高，工艺条件还需进一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄，因此大面积的石墨烯薄膜无法单独使用，必须附着在宏观器件中才有使用价值，例如触摸屏、加热器件等。17 主要分类编辑单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧

14、密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。18 双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。19 少层石墨烯（Few-layer）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。20 多层石墨烯又叫厚层石墨烯（multi-layer graphene）：指厚度在10层以上10nm以下苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（

15、包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。21 主要应用编辑随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。基础研究石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。在二维的石墨烯中，电子的质量仿佛是不存在的，这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质因为无质量的粒子必须以光速运动，从而必须用相对论量子力学来描述，这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向：一些原来需要在巨型粒子加速器中进行

16、的试验，如今可以在小型实验室内用石墨烯进行。石墨烯还具有所谓的量子霍尔效应，这种诺贝尔奖量级的重要效应以往是要在极低温下才能显现的，石墨烯却能将它带到室温下。22 晶体管石墨烯可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下，目前勇挑大梁的以硅为材料的晶体管在10nm左右的尺度上就会失去稳定性；石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点，又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz，超过同等尺度的硅晶体管。3 柔性显示屏消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为

17、未来移动设备显示屏的发展趋势柔性显示未来市场广阔，作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国研究人员首次制造出了又多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63cm宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上，制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们表示，这是迄今为止“块头”最大的石墨烯块。随后，他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。研究人员表示，从理论上来讲，人们可以卷起智能手机，然后像铅笔一样将其别在而后。3 新能源电池新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能

18、电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。3 航空航天由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器，就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。23 感光元件2013年，新加坡南洋理工大学学者，研发出了一个以石墨烯作为感光元件材

19、质的新型感光元件，可望透过特殊结构，让感光能力比现有CMOS或CCD提高上千倍，而且损耗的能源也仅需原本10%。这项技术将被应用在监视器与卫星成像领域中，不久的将来可以应用于照相机、智能手机等。24 复合材料基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向， 其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能， 具有广阔的应用前景。目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上，而随着对石墨烯研究的深入， 石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视。3 发展前景编辑由于其独有的特性，石墨烯被称为“神

20、奇材料”，科学家甚至预言其将“彻底改变21世纪”。曼彻斯特大学副校长Colin Bailey教授称：“石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用，从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。”中国中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，价格低廉。另外，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。而中国最新的研究成果已成功突破这两大难题，制造成本已从5000元/克降至3元/克，解决了这种材料的量产难题。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了7英寸石墨烯触摸屏。

21、中科院重庆绿色智能技术研究院的研究人员在展示单层石墨烯产品的超强透光性和柔性。中国石墨烯产业技术创新战略联盟率领贝特瑞、正泰集团、常州第六元素、亿阳集团等四家上市公司的代表参加了西班牙的石墨烯会议，并分别与意大利、瑞典代表团签订了深度战略合作协议，为“石墨烯全球并购，中国整合”战略打响了第一枪。此外，3月初全球首批3万部量产石墨烯手机在重庆发布，开启了石墨烯产业化应用的新时代。石墨烯入选“十三五”新材料规划已经基本落定，预计2015年将成为中国石墨烯产业爆发元年。2014年3月20日，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛课题组与清华大学和中科院金属研究所相关团队合作，成功研制出高导热石墨烯/炭纤

22、维柔性复合薄膜。25 2014年11月26日，中国科学技术大学吴恒安教授、王奉超特任副研究员与安德烈-海姆教授课题组及荷兰内梅亨大学研究人员合作，在石墨烯等类膜材料输运特性研究方面首次发现，石墨烯可以作为良好的“质子传导膜”。2015年03月02日，全球首批3万部石墨烯手机在渝发布，其核心技术由中国科学院重庆绿色智能技术研究院和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发。26 2015年5月，南开大学化学学院周震教授课题组发现一种可呼吸二氧化碳电池。2015年6月，南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授的联合科研团队通过3年的研究，获得了一种特殊的石墨烯材料。该材料可在包括太阳光在内的各种

23、光源照射下驱动飞行，其获得的驱动力是传统光压的千倍以上。2016年4月27日全球首款石墨烯电子纸在广州宣布成功研发问世，这一技术将电子纸的性能提升到一个新的高度，也为石墨烯的产业化开创了一个全新的空间，标志着我国在石墨烯应用上已经走在了世界的前沿。美国美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司利用锂电池在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新的电池。这种新的电池可把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟。分析人士认为，未来一分钟快充石墨烯电池实现产业化后，将带来电池产业的变革，从而也促使新能源汽车产业的革新。2013年初，美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微

24、型超级电容器，该电容器不仅外形小巧，而且充电速度为普通电池的1000倍，可以在数秒内为手机甚至汽车充电，同时可用于制造体积较小的器件。微型石墨烯超级电容技术突破可以说是给电池带来了革命性发展。当前主要制造微型电容器的方法是平板印刷技术，需要投入大量的人力和成本，阻碍了产品的商业应用。以后只需要常见的DVD刻录机，甚至是在家里，利用廉价材料30分钟就可以在一个光盘上制造100多个微型石墨烯超级电容。美国普渡大学（Purdue University）正在研究通过新的、更加简单的方式制造纳米电极材料的工艺。该大学的研究表明，在电池中使用纳米材料，将会增加电池的充电容量和充放电速度。欧洲正是看到了石墨

25、烯的应用前景，许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心，尝试使用石墨烯商业化，进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利。欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”，设立专项研发计划，未来10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所（NGI），力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。韩国韩国研究人员在硅基底上成功合成了晶片级的高质量多层石墨烯。该方法基于一种离子注入技术，简单而且可升级。这一成果使石墨烯离商业应用更近一步。晶片级的石墨烯可能是微电子线路中一个必不可少的组成部分，但大部分石墨烯制造方法都与硅微电子器件不兼容，阻碍了石墨烯从潜在材料向实际

26、应用的跨越。目前，韩国的三星电子也在从事旨在硅表面添加石墨烯涂层的硅基阳极物质的研究。如果该研究能够取得成功，锂离子蓄电池的寿命将会提高到2倍以上。该研究综合了硅基材料寿命长和石墨烯材料充电容量大的优点，重点解决如何在硅基材料上建立石墨烯涂层的工艺化问题。西班牙2015年1月，西班牙Graphenano公司（一家以工业规模生产石墨烯的公司）同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场最好产品的三倍，用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到8分钟。日本2015年9月2日，据日本的科学技术振兴机构（JST）与日本东北大学的原子分子材料科学高等研究

27、机构（AIMR）发表，在作为下一代蓄电池而被热切期待的锂空气电池中，通过使用具备三维构造的多孔材质石墨烯作为阳极材料，获得了较高的能量利用效率和100次以上的充放电性能。如果电动车使用这种新型电池，则巡航里程将从目前的200公里左右增加到500-600公里左右。碳的同素异形体参考资料1. 来常伟等.石墨烯相关性质的表征J.化学学报,2013,71(9):1201-1224.2. 赵扬.石墨烯结构调控、功能组装及其应用研究D.北京:北京理工大学,2015.3. 曹宇臣&郭鸣明.石墨烯材料及其应用J.石油化工,2016,45(10):1149-11594. 匡达&胡文彬.石墨烯复合

28、材料的研究进展J.无机材料学报,2013(3)5. Zhang Yuanbo,Tang Tsung-Ta,Girit C,et al.Direct observation of a widely tunable bandgap in bilayer grapheneJ.Nature,2009,459(7248):820-8236. Geim A.K,Novodelov K.S.the Rise of GrapheneJ.Nat Mater,2007,6(3):183-1917. 李永玺等.石墨烯化学及潜在应用J.上海第二工业大学学报,2010,27(4):259-271.8. 付尧.石墨烯薄膜制备、场效应晶体管构建及其性能研究D.四川:电子科技大学,2012.9. 秦晓娟.改性石墨烯的制备及其超疏水性能研究D.甘肃:兰州理工大学,2013.10. 胡阮冰.超疏水亲油复合材料的制备及其性能研究D.浙江:浙江理工大学,2013. 石墨烯图册科普中国致力于权威的科学传播本词条内容贡献者为秦禄昌高级研究员审核中国科学院宁波材料技术与工程研究所功能材料与纳米器件事业部