石墨烯的足迹.pdfVIP

Invited ManuscriptsInvited Manuscripts 特约专稿特约专稿 石墨烯的“足迹” The Discovery of Graphene 撰文 / 余崇圣 作为现代材料科学研究领域的“新秀”，石墨烯是目前材 度仅为一个碳子层的厚度（0.34nm），由二维蜂窝状晶格紧密 料科学领域最薄、最强韧的二维纳米材料，其优异的性能和使 堆积而成。其中碳原子以六元环周期性排列于石墨烯平面内， 用特性具有极高的研究价值和广泛的应用前景，将引发诸如能 并具有可以在晶面内自由移动的π电子。 源、智能硬件、电子信息、功能材料等领域的新技术革命性突 随着研究的深入，石墨烯在制备方面取得了长足的进步。 破，由此掀起席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。本文从科 微机械剥离法是最早用于制备石墨烯的物理方法，2004年 普的视角，来了解石墨烯发展的“足迹”。 Novoselov等利用透明胶带反复剥离高定向热解石墨获得石墨 烯，从而开启了碳材料发展的新纪元。2006年Somani等用化学 一、石墨烯的起源与特性 气相沉积（CVD）法制备得到石墨烯，在规模化制备单层石墨烯 石墨烯的理论研究始于1947年，早期在科学界曾进行过一 薄膜的问题方面有了新的突破。同年Stankovich等用肼还原 些制备方法研究，迄今已有60多年的历史。但真正能够独立存 脱除石墨烯氧化物的含氧基团从而恢复单层石墨的有序结构， 在的二维石墨烯晶体出现在2004年：英国曼彻斯特大学物理 氧化还原法以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯的最 学教授Andre K.Geim和Konstantin Novoselov领导的研究小 简便的方法。其他的方法：SiC热分解法、液相或气相直接剥 组利用微机械剥离法首次从石墨薄片中剥离出石墨烯，为此他 离法、电弧放电法、切割碳纳米管法等为石墨烯的制备开辟了 们二人荣获2010年诺贝尔物理学奖，将石墨烯带入了人们的视 不同的道路。 线。 石墨烯作为一种新型二维纳米材料，它的出现充实了碳 三、石墨烯的应用与前景 材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的 石墨烯由于具备很好的电学、力学、热学以及光学性能， 石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。它是世界上已知最 凭借其特殊的物理结构和特性，在众多学科领域都将带来革 薄、最轻的纳米材料。 命性的技术进步。 石墨烯具有良好的导电性且结构稳定，常温下电子迁移 在电子领域，石墨烯由于具有优异的电学性能，研究者已 2 率超过15000cm /VS，比碳纳米管和硅晶体高，而电阻率只有 将其应用于电子器件中，目前已开发出在沟道层使用石墨烯的 –6 10 Ωm左右，比铜或银更低，是目前已知电阻率最小的材料。 高速动作性RF电路用电场效应晶体管、在SiC晶元上集成使用 石墨烯中的电子在轨道移动时运动速度可达到光速的1/300， 石墨烯作为沟道的晶体管和电感器、工作带宽超过10GHz的混 远远超过了电子在一般导体中的运动速度，可期待将其用于发 频器IC。在能源领域，石墨烯优良的导电性可大幅提高电池的 展更薄、导电速度更快的新一代电子元件。 输出功率密度，石墨烯制备的锂离子电池、超级电容器充放电 另外石墨烯几乎完全透明，只吸收2.3%的光，其导热系数 速率远远高于普通电池。在光电器件领域，透明导电膜是最接 高达5300W/mK，高于碳纳米管和金刚石，同时石墨烯是人类已 近实用化的应用例之一，石