石墨烯（Graphene）是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料?。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。

實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。他們共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。

這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮。2009年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)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)立即震撼了凝聚體物理學(xué)學(xué)術(shù)界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯能夠在實(shí)驗(yàn)中被制備出來。2018年3月31日，中國首條全自動(dòng)量產(chǎn)石墨烯有機(jī)太陽能光電子器件生產(chǎn)線在山東菏澤啟動(dòng)，該項(xiàng)目主要生產(chǎn)可在弱光下發(fā)電的石墨烯有機(jī)太陽能電池（下稱石墨烯OPV），破解了應(yīng)用局限、對(duì)角度敏感、不易造型這三大太陽能發(fā)電難題。

2018年6月27日，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布新制訂的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《含有石墨烯材料的產(chǎn)品命名指南》。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了石墨烯材料相關(guān)新產(chǎn)品的命名方法。2023年4月，英國曼徹斯特大學(xué)研究人員報(bào)告了在環(huán)境條件下石墨烯中出現(xiàn)的創(chuàng)紀(jì)錄的高磁阻：其在標(biāo)準(zhǔn)永磁體（約1000高斯，或1特斯拉）的磁場中磁阻率達(dá)到了100%以上。在磁場下能強(qiáng)烈改變電阻率的材料會(huì)被廣泛應(yīng)用，例如每輛汽車和每臺(tái)計(jì)算機(jī)都包含的微型磁傳感器。

石墨烯介紹

石墨烯的物理性質(zhì)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)：石墨烯內(nèi)部碳原子的排列方式與石墨單原子層一樣以sp2雜化軌道成鍵，并有如下的特點(diǎn)：碳原子有4個(gè)價(jià)電子，其中3個(gè)電子生成sp2鍵，即每個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)位于pz軌道上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌道與平面成垂直方向可形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態(tài)。研究證實(shí)，石墨烯中碳原子的配位數(shù)為3，每兩個(gè)相鄰碳原子間的鍵長為1.42×10-10米，鍵與鍵之間的夾角為120°。除了σ鍵與其他碳原子鏈接成六角環(huán)的蜂窩式層狀結(jié)構(gòu)外，每個(gè)碳原子的垂直于層平面的pz軌道可以形成貫穿全層的多原子的大π鍵（與苯環(huán)類似），因而具有優(yōu)良的導(dǎo)電和光學(xué)性能。

單層石墨烯結(jié)構(gòu)圖

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力學(xué)特性

石墨烯是已知強(qiáng)度最高的材料之一，同時(shí)還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達(dá)1.0TPa，固有的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度，平均模量可達(dá)0.25TPa。?[8]??由石墨烯薄片組成的石墨紙擁有很多的孔，因而石墨紙顯得很脆，然而，經(jīng)氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨紙則會(huì)異常堅(jiān)固強(qiáng)韌。?[8]?

電子效應(yīng)

石墨烯構(gòu)成富勒烯、碳納米管和石墨示意圖

石墨烯在室溫下的載流子遷移率約為15000cm2/（V·s），這一數(shù)值超過了硅材料的10倍，是已知載流子遷移率最高的物質(zhì)銻化銦（InSb）的兩倍以上。在某些特定條件下如低溫下，石墨烯的載流子遷移率甚至可高達(dá)250000cm2/（V·s）。與很多材料不一樣，石墨烯的電子遷移率受溫度變化的影響較小，50~500K之間的任何溫度下，單層石墨烯的電子遷移率都在15000cm2/（V·s）左右。另外，石墨烯中電子載體和空穴載流子的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)可以通過電場作用改變化學(xué)勢而被觀察到，而科學(xué)家在室溫條件下就觀察到了石墨烯的這種量子霍爾效應(yīng)。?石墨烯中的載流子遵循一種特殊的量子隧道效應(yīng)，在碰到雜質(zhì)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生背散射，這是石墨烯局域超強(qiáng)導(dǎo)電性以及很高的載流子遷移率的原因。石墨烯中的電子和光子均沒有靜止質(zhì)量，他們的速度是和動(dòng)能沒有關(guān)系的常數(shù)。

石墨烯是一種零距離半導(dǎo)體，因?yàn)樗膫鲗?dǎo)和價(jià)帶在狄拉克點(diǎn)相遇。在狄拉克點(diǎn)的六個(gè)位置動(dòng)量空間的邊緣布里淵區(qū)分為兩組等效的三份。相比之下，傳統(tǒng)半導(dǎo)體的主要點(diǎn)通常為Γ，動(dòng)量為零。?

熱性能

石墨烯具有非常好的熱傳導(dǎo)性能。純的無缺陷的單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/mK，是為止導(dǎo)熱系數(shù)最高的碳材料，高于單壁碳納米管（3500W/mK）和多壁碳納米管（3000W/mK）。當(dāng)它作為載體時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)也可達(dá)600W/mK。?[8]??此外，石墨烯的彈道熱導(dǎo)率可以使單位圓周和長度的碳納米管的彈道熱導(dǎo)率的下限下移。?

導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值

電阻系數(shù)和溫度系數(shù)

光學(xué)特性

石墨烯具有非常良好的光學(xué)特性，在較寬波長范圍內(nèi)吸收率約為2.3%，看上去幾乎是透明的。在幾層石墨烯厚度范圍內(nèi)，厚度每增加一層，吸收率增加2.3%。大面積的石墨烯薄膜同樣具有優(yōu)異的光學(xué)特性，且其光學(xué)特性隨石墨烯厚度的改變而發(fā)生變化。這是單層石墨烯所具有的不尋常低能電子結(jié)構(gòu)。室溫下對(duì)雙柵極雙層石墨烯場效應(yīng)晶體管施加電壓，石墨烯的帶隙可在0~0.25eV間調(diào)整。施加磁場，石墨烯納米帶的光學(xué)響應(yīng)可調(diào)諧至太赫茲范圍。

當(dāng)入射光的強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，石墨烯對(duì)其的吸收會(huì)達(dá)到飽和。這些特性可以使得石墨烯可以用來做被動(dòng)鎖模激光器。這種獨(dú)特的吸收可能成為飽和時(shí)輸入光強(qiáng)超過一個(gè)閾值，這稱為飽和影響，石墨烯可飽和容易下可見強(qiáng)有力的激勵(lì)近紅外地區(qū)，由于環(huán)球光學(xué)吸收和零帶隙。由于這種特殊性質(zhì)，石墨烯具有廣泛應(yīng)用在超快光子學(xué)。石墨烯/氧化石墨烯層的光學(xué)響應(yīng)可以調(diào)諧電。?更密集的激光照明下，石墨烯可能擁有一個(gè)非線性相移的光學(xué)非線性克爾效應(yīng)。

溶解性：在非極性溶劑中表現(xiàn)出良好的溶解性，具有超疏水性和超親油性。??

熔點(diǎn)：科學(xué)家在2015年的研究中表示約4125K ?，有其他研究表明熔點(diǎn)可能在5000K左右。

其他性質(zhì)：可以吸附和脫附各種原子和分子。

化學(xué)性質(zhì)

石墨烯的化學(xué)性質(zhì)與石墨類似，石墨烯可以吸附并脫附各種原子和分子。當(dāng)這些原子或分子作為給體或受體時(shí)可以改變石墨烯載流子的濃度，而石墨烯本身卻可以保持很好的導(dǎo)電性。但當(dāng)吸附其他物質(zhì)時(shí)，如H+和OH-時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些衍生物，使石墨烯的導(dǎo)電性變差，但并沒有產(chǎn)生新的化合物。因此，可以利用石墨來推測石墨烯的性質(zhì)。例如石墨烷的生成就是在二維石墨烯的基礎(chǔ)上，每個(gè)碳原子多加上一個(gè)氫原子，從而使石墨烯中sp2碳原子變成sp3雜化。?[8]??可以在實(shí)驗(yàn)室中通過化學(xué)改性的石墨制備的石墨烯的可溶性片段。

化合物

氧化石墨烯（grapheneoxide，GO）：一種通過氧化石墨得到的層狀材料。體相石墨經(jīng)發(fā)煙濃酸溶液處理后，石墨烯層被氧化成親水的石墨烯氧化物，石墨層間距由氧化前的3.35?增加到7~10?，經(jīng)加熱或在水中超聲剝離過程很容易形成分離的石墨烯氧化物片層結(jié)構(gòu)。XPS、紅外光譜（IR）、固體核磁共振譜（NMR）等表征結(jié)果顯示石墨烯氧化物含有大量的含氧官能團(tuán)，包括羥基、環(huán)氧官能團(tuán)、羰基、羧基等。羥基和環(huán)氧官能團(tuán)主要位于石墨的基面上，而羰基和羧基則處在石墨烯的邊緣處。

石墨烷（graphane）：可通過石墨烯與氫氣反應(yīng)得到，是一種飽和的碳?xì)浠衔?，具有分子式（CH）n，其中所有的碳是sp3雜化并形成六角網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氫原子以交替形式從石墨烯平面的兩端與碳成鍵，石墨烷表現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì)，具有直接帶隙。?

氮摻雜石墨烯或氮化碳（carbonnitride）：在石墨烯晶格中引入氮原子后變成氮摻雜的石墨烯，生成的氮摻雜石墨烯表現(xiàn)出較純石墨烯更多優(yōu)異的性能，呈無序、透明、褶皺的薄紗狀，部分薄片層疊在一起，形成多層結(jié)構(gòu)，顯示出較高的比電容和良好的循環(huán)壽命。

生物相容性：羧基離子的植入可使石墨烯材料表面具有活性功能團(tuán)，從而大幅度提高材料的細(xì)胞和生物反應(yīng)活性。石墨烯呈薄紗狀與碳納米管的管狀相比，更適合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的邊緣與碳納米管相比，更長，更易于被摻雜以及化學(xué)改性，更易于接受功能團(tuán)。?

氧化性：可與活潑金屬反應(yīng)。?

還原性：可在空氣中或是被氧化性酸氧化，通過該方法可以將石墨烯裁成小碎片。?石墨烯氧化物是通過石墨氧化得到的層狀材料，經(jīng)加熱或在水中超聲剝離過程很容易形成分離的石墨烯氧化物片層結(jié)構(gòu)。

加成反應(yīng)：利用石墨烯上的雙鍵，可以通過加成反應(yīng)，加入需要的基團(tuán)。?

穩(wěn)定性：石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時(shí)，碳原子面會(huì)彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。另外，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，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小。?同時(shí)，石墨烯有芳香性，具有芳烴的性質(zhì)。

二

石墨烯的制備方法

機(jī)械剝離法

機(jī)械剝離法是利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結(jié)構(gòu)。2004年，英國兩位科學(xué)使用透明膠帶對(duì)天然石墨進(jìn)行層層剝離取得石墨烯的方法，也歸為機(jī)械剝離法，這種方法一度被認(rèn)為生產(chǎn)效率低，無法工業(yè)化量產(chǎn)。??這種方法可以制備微米大小的石墨烯，但是其可控性較低，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模合成有一定的困難。2016年，中國科學(xué)家發(fā)明了一種簡單高效的綠色剝離技術(shù)，通過“球-微球”間柔和的滾動(dòng)轉(zhuǎn)移工藝實(shí)現(xiàn)了少層石墨烯（層數(shù)3.8±1.9）的規(guī)?；苽?。

氧化還原法

氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學(xué)試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化，增大石墨層之間的間距，在石墨層與層之間插入氧化物，制得氧化石墨（Graphite Oxide）。然后將反應(yīng)物進(jìn)行水洗，并對(duì)洗凈后的固體進(jìn)行低溫干燥，制得氧化石墨粉體。通過物理剝離、高溫膨脹等方法對(duì)氧化石墨粉體進(jìn)行剝離，制得氧化石墨烯。最后通過化學(xué)法將氧化石墨烯還原，得到石墨烯（RGO）。這種方法操作簡單，產(chǎn)量高，但是產(chǎn)品質(zhì)量較低。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強(qiáng)酸，存在較大的危險(xiǎn)性，又須使用大量的水進(jìn)行清洗，帶來較大的環(huán)境污染。

使用氧化還原法制備的石墨烯，含有較豐富的含氧官能團(tuán)，易于改性。但由于在對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原時(shí)，較難控制還原后石墨烯的氧含量，同時(shí)氧化石墨烯在陽光照射、運(yùn)輸時(shí)車廂內(nèi)高溫等外界每件影響下會(huì)不斷的還原，因此氧化還原法生產(chǎn)的石墨烯逐批產(chǎn)品的品質(zhì)往往不一致，難以控制品質(zhì)。

取向附生法

取向附生法是利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850℃后，之前吸收的大量碳原子就會(huì)浮到釕表面，最終鏡片形狀的單層的碳原子會(huì)長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋后，第二層開始生長。底層的石墨烯會(huì)與釕產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會(huì)影響碳層的特性。?

碳化硅外延法

SiC外延法是通過在超高真空的高溫環(huán)境下，使硅原子升華脫離材料，剩下的C原子通過自組形式重構(gòu)，從而得到基于SiC襯底的石墨烯。這種方法可以獲得高質(zhì)量的石墨烯，但是這種方法對(duì)設(shè)備要求較高。

赫默法

通過Hummer法制備氧化石墨；將氧化石墨放入水中超聲分散，形成均勻分散、質(zhì)量濃度為0.25g/L～1g/L的氧化石墨烯溶液，再向所述的氧化石墨烯溶液中滴加質(zhì)量濃度為28%的氨水；將還原劑溶于水中，形成質(zhì)量濃度為0.25g/L～2g/L的水溶液；將配制的氧化石墨烯溶液和還原劑水溶液混合均勻，將所得混合溶液置于油浴條件下攪拌，反應(yīng)完畢后，將混合物過濾洗滌、烘干后得到石墨烯。?

化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法即（CVD）是使用含碳有機(jī)氣體為原料進(jìn)行氣相沉積制得石墨烯薄膜的方法。這是生產(chǎn)石墨烯薄膜最有效的方法。這種方法制備的石墨烯具有面積大和質(zhì)量高的特點(diǎn)，但現(xiàn)階段成本較高，工藝條件還需進(jìn)一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄，因此大面積的石墨烯薄膜無法單獨(dú)使用，必須附著在宏觀器件中才有使用價(jià)值，例如觸摸屏、加熱器件等。?

低壓氣相沉積法是部分學(xué)者使用的，其將單層石墨烯在Ir表面上生成，通過進(jìn)一步研究可知，這種石墨烯結(jié)構(gòu)可以跨越金屬臺(tái)階，連續(xù)性的和微米尺度的單層碳結(jié)構(gòu)逐漸在Ir表面上形成。??毫米量級(jí)的單晶石墨烯是利用表面偏析的方法得到的。厘米量級(jí)的石墨烯和在多晶Ni薄膜上外延生長石墨烯是由部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)的，在1000℃下加熱300納米厚的Ni 膜表面，同時(shí)在CH4氣氛中進(jìn)行暴露，經(jīng)過一段時(shí)間的反應(yīng)后，大面積的少數(shù)層石墨烯薄膜會(huì)在金屬表面形成。

三

石墨烯的只要分類

單層石墨烯

單層石墨烯（Graphene）：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。?

雙層石墨烯

雙層石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛、AA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

少層石墨烯

少層石墨烯（Few-layer）：指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。?

多層石墨烯

多層石墨烯又叫厚層石墨烯（multi-layer graphene）：指厚度在10層以上10nm以下苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛、ABA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

四

石墨烯的主要應(yīng)用

隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會(huì)是移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。

基礎(chǔ)研究

石墨烯對(duì)物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著特殊意義，它使得一些此前只能在理論上進(jìn)行論證的量子效應(yīng)可以通過實(shí)驗(yàn)經(jīng)行驗(yàn)證。在二維的石墨烯中，電子的質(zhì)量仿佛是不存在的，這種性質(zhì)使石墨烯成為了一種罕見的可用于研究相對(duì)論量子力學(xué)的凝聚態(tài)物質(zhì)——因?yàn)闊o質(zhì)量的粒子必須以光速運(yùn)動(dòng)，從而必須用相對(duì)論量子力學(xué)來描述，這為理論物理學(xué)家們提供了一個(gè)嶄新的研究方向：一些原來需要在巨型粒子加速器中進(jìn)行的試驗(yàn)，可以在小型實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用石墨烯進(jìn)行。?

零能隙的半導(dǎo)體主要是單層石墨烯，這種電子結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重影響到氣體分子在其表面上的作用。單層石墨烯較體相石墨表面反應(yīng)活性增強(qiáng)的功能是由石墨烯的氫化反應(yīng)和氧化反應(yīng)結(jié)果顯示出來的，說明石墨烯的電子結(jié)構(gòu)可以調(diào)變其表面的活性。另外，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)可以通過氣體分子吸附的誘導(dǎo)而發(fā)生相應(yīng)的變化，其不但對(duì)載流子的濃度進(jìn)行改變，同時(shí)可以摻雜不同的石墨烯。?

傳感器

紅外光束激發(fā)等離子體石墨烯傳感器示意圖

石墨烯可以做成化學(xué)傳感器，這個(gè)過程主要是通過石墨烯的表面吸附性能來完成的，根據(jù)部分學(xué)者的研究可知，石墨烯化學(xué)探測器的靈敏度可以與單分子檢測的極限相比擬。?石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使它對(duì)周圍的環(huán)境非常敏感。?石墨烯是電化學(xué)生物傳感器的理想材料，石墨烯制成的傳感器在醫(yī)學(xué)上檢測多巴胺、葡萄糖等具有良好的靈敏性。?

晶體管

石墨烯可以用來制作晶體管，由于石墨烯結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定性，這種晶體管在接近單個(gè)原子的尺度上依然能穩(wěn)定地工作。相比之下，目前以硅為材料的晶體管在10納米左右的尺度上就會(huì)失去穩(wěn)定性；石墨烯中電子對(duì)外場的反應(yīng)速度超快這一特點(diǎn)，又使得由它制成的晶體管可以達(dá)到極高的工作頻率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布將石墨烯晶體管的工作頻率提高到了100GHz，超過同等尺度的硅晶體管。?

柔性顯示屏

消費(fèi)電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動(dòng)設(shè)備顯示屏的發(fā)展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎(chǔ)材料的石墨烯前景也被看好。韓國研究人員首次制造出了由多層石墨烯和玻璃纖維聚酯片基底組成的柔性透明顯示屏。韓國三星公司和成均館大學(xué)的研究人員在一個(gè)63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，制造出了一塊電視機(jī)大小的純石墨烯。他們表示，這是迄今為止“塊頭”最大的石墨烯塊。隨后，他們用該石墨烯塊制造出了一塊柔性觸摸屏。研究人員表示，從理論上來講，人們可以卷起智能手機(jī)，然后像鉛筆一樣將其別在耳后。?

新能源電池

石墨烯基超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)與不同電壓下的石墨烯理論能量密度

新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領(lǐng)域。美國麻省理工學(xué)院已成功研制出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用。另外，石墨烯超級(jí)電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時(shí)間長的問題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應(yīng)用鋪就了道路。?

海水淡化

儲(chǔ)氫材料

石墨烯過濾器比其他海水淡化技術(shù)要使用的多。水環(huán)境中的氧化石墨烯薄膜與水親密接觸后，可形成約0.9納米寬的通道，小于這一尺寸的離子或分子可以快速通過。通過機(jī)械手段進(jìn)一步壓縮石墨烯薄膜中的毛細(xì)通道尺寸，控制孔徑大小，能高效過濾海水中的鹽份。

儲(chǔ)氫材料

石墨烯具有質(zhì)量輕、高化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積等優(yōu)點(diǎn)，使之成為儲(chǔ)氫材料的最佳候選者。?

航空航天

由于高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢也是極為突出的。2014年，美國NASA開發(fā)出應(yīng)用于航天領(lǐng)域的石墨烯傳感器，就能很好的對(duì)地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷等進(jìn)行檢測。而石墨烯在超輕型飛機(jī)材料等潛在應(yīng)用上也將發(fā)揮更重要的作用。?

感光元件

以石墨烯作為感光元件材質(zhì)的新型感光元件，可望透過特殊結(jié)構(gòu)，讓感光能力比現(xiàn)有CMOS或CCD提高上千倍，而且損耗的能源也僅需原本10%?？蓱?yīng)用在監(jiān)視器與衛(wèi)星成像領(lǐng)域中，可以應(yīng)用于照相機(jī)、智能手機(jī)等。?

復(fù)合材料

復(fù)合材料

基于石墨烯的復(fù)合材料是石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域中的重要研究方向，其在能量儲(chǔ)存、液晶器件、電子器件、生物材料、傳感材料和催化劑載體等領(lǐng)域展現(xiàn)出了優(yōu)良性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前石墨烯復(fù)合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復(fù)合材料和石墨烯基無機(jī)納米復(fù)合材料上，而隨著對(duì)石墨烯研究的深入，石墨烯增強(qiáng)體在塊體金屬基復(fù)合材料中的應(yīng)用也越來越受到人們的重視。?石墨烯制成的多功能聚合物復(fù)合材料、高強(qiáng)度多孔陶瓷材料，增強(qiáng)了復(fù)合材料的許多特殊性能。

生物

石墨烯被用來加速人類骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化??，同時(shí)也被用來制造碳化硅上外延石墨烯的生物傳感器。同時(shí)石墨烯可以作為一個(gè)神經(jīng)接口電極，而不會(huì)改變或破壞性能，如信號(hào)強(qiáng)度或疤痕組織的形成。由于具有柔韌性、生物相容性和導(dǎo)電性等特性，石墨烯電極在體內(nèi)比鎢或硅電極穩(wěn)定得多。?石墨烯氧化物對(duì)于抑制大腸桿菌的生長十分有效，而且不會(huì)傷害到人體細(xì)胞。

五

石墨烯的發(fā)展前景

石墨烯的研究與應(yīng)用開發(fā)持續(xù)升溫，石墨和石墨烯有關(guān)的材料廣泛應(yīng)用在電池電極材料、半導(dǎo)體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等方面。鑒于石墨烯材料優(yōu)異的性能及其潛在的應(yīng)用價(jià)值，在化學(xué)、材料、物理、生物、環(huán)境、能源等眾多學(xué)科領(lǐng)域已取得了一系列重要進(jìn)展。?[49]??研究者們致力于在不同領(lǐng)域嘗試不同方法以求制備高質(zhì)量、大面積石墨烯材料。并通過對(duì)石墨烯制備工藝的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，降低石墨烯制備成本使其優(yōu)異的材料性能得到更廣泛的應(yīng)用，并逐步走向產(chǎn)業(yè)化。?

中國在石墨烯研究上也具有獨(dú)特的優(yōu)勢，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國儲(chǔ)能豐富，價(jià)格低廉。正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專利。如歐盟委員會(huì)將石墨烯作為“未來新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，設(shè)立專項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，未來10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費(fèi)。英國政府也投資建立國家石墨烯研究所（NGI），力圖使這種材料在未來幾十年里可以從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場。

石墨烯有望在諸多應(yīng)用領(lǐng)域中成為新一代器件，為了探尋石墨烯更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，還需繼續(xù)尋求更為優(yōu)異的石墨烯制備工藝，使其得到更好的應(yīng)用。??石墨烯雖然從合成和證實(shí)存在到今天只有短短十幾年的時(shí)間，但是已成為今年學(xué)者研究的熱點(diǎn)。其優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)促使研究人員不斷對(duì)其深入研究，隨著石墨烯的制備方法不斷被開發(fā)，石墨烯必將在不久的將來被更廣泛地應(yīng)用到各領(lǐng)域中。?

石墨烯產(chǎn)業(yè)化還處于初期階段，一些應(yīng)用還不足以體現(xiàn)出石墨烯的多種“理想”性能，而世界上很多科研人員正在探索“殺手锏級(jí)”的應(yīng)用，未來在檢測及認(rèn)證方面需要面對(duì)太多挑戰(zhàn)，有待在手段及方法上不斷創(chuàng)新。

高導(dǎo)熱石墨烯膜產(chǎn)品

一

氧化石墨烯

二

石墨烯均熱膜

電子設(shè)備單位功耗持續(xù)提升，散熱的重要性不斷提升
高溫對(duì)多數(shù)元器件將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，使得大多數(shù)電子元器件性能改變甚至失效，從而引起整個(gè)電子設(shè)備的故障。一方面，電子元件的10℃法則;顯示，電子元件的故障發(fā)生率隨工作溫度的提高呈指數(shù)增長，溫度每升高10℃，系統(tǒng)可靠性降低50%。另一方面，熱失效是電子設(shè)備失效的最主要原因，電子設(shè)備失效有55%是因?yàn)闇囟冗^高引起。電子設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)不斷產(chǎn)生熱量堆積在體內(nèi)，因此在電子設(shè)備內(nèi)部施加散熱手段，使設(shè)備保持在合適溫度非常重要。
在電子設(shè)備高性能、小型化發(fā)展趨勢下，及時(shí)散熱挑戰(zhàn)提升，散熱設(shè)計(jì)在電子設(shè)備開發(fā)中重要性加大。隨著集成電路工藝、集成度、工作速度提升，電子設(shè)備朝小型化發(fā)展、元件密度增大、電源續(xù)航能力提高，電子設(shè)備系統(tǒng)功耗增加，單位體積產(chǎn)生的熱量持續(xù)上升。以智能手機(jī)為例，其處理器功耗不斷增加，而機(jī)身厚度的不斷壓縮，電子設(shè)備面臨的散熱挑戰(zhàn)不斷加大，散熱設(shè)計(jì)重要性持續(xù)提升。

?以5G手機(jī)為例，功能創(chuàng)新帶來功耗提升，散熱需求隨之升級(jí)。主要發(fā)熱源為處理器、電池、攝像頭、LED模組，5G手機(jī)需要支持更多的頻段和實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，天線數(shù)量翻倍，射頻前端增加，處理器性能提升，同時(shí)智能手機(jī)向大屏折疊屏、多攝高清攝升級(jí)、大功率快充升級(jí)，使得手機(jī)內(nèi)集成的功能模塊更多更緊密。5G手機(jī)芯片功耗約11W，約是4G手機(jī)的2.5倍，散熱需求強(qiáng)烈。目前4G廣泛應(yīng)用的散熱材料有石墨片、導(dǎo)熱界面材料等，受制于其導(dǎo)熱系數(shù)的極限，已經(jīng)很難滿足5G手機(jī)需求。

石墨烯散熱膜是以石墨烯為原料，采用多層石墨烯堆疊而成的高定向?qū)崮?，包含保護(hù)膜、單面膠、石墨烯膜、雙面膠和離型膜等。

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編輯：黃飛

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編輯：黃飛

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