梁彤祥，劉 娟，王 晨

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院精細(xì)陶瓷北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

石墨烯是由碳原子構(gòu)成的二維單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，多年來(lái)一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實(shí)驗(yàn)室從石墨中分離出石墨烯，確認(rèn)石墨烯可以單獨(dú)存在。從此，石墨烯制備和應(yīng)用研究成為材料科學(xué)的一大研究熱點(diǎn)。石墨烯具有獨(dú)特的電子性質(zhì)，在器件應(yīng)用上展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，被認(rèn)為是最有可能取代硅的新型電子材料［1］。與碳納米管不同，石墨烯存在完美的雜化結(jié)構(gòu)，大的共軛體系使其電子輸運(yùn)能力很強(qiáng)［2］，載流子輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)顯示在室溫下石墨烯具有非同尋常的高電子遷移率，大于15000cm2V－1s－1［3］。電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)的對(duì)稱性說(shuō)明空穴和電子的遷移率幾乎相同，并且在10～100K溫度范圍內(nèi)，遷移率不受溫度影響，這說(shuō)明石墨烯中電子主要的散射機(jī)理是缺陷散射［4］。硅基的微計(jì)算機(jī)處理器在室溫下每秒鐘只能執(zhí)行一定數(shù)量的操作，而電子在石墨烯中穿行沒(méi)有任何阻力，產(chǎn)生的熱量也很少，而且石墨烯本身具有較高的熱導(dǎo)率，因此石墨烯電子產(chǎn)品比硅具有更高的運(yùn)行速率。由于制備石墨烯的原料是價(jià)格低廉的石墨，用石墨烯替代硅制造電子產(chǎn)品的應(yīng)用前景廣闊。

以石墨烯為基礎(chǔ)的等離子震蕩技術(shù)可以讓新穎的光學(xué)設(shè)備響應(yīng)不同的頻率波段，從太赫茲到可見(jiàn)光，響應(yīng)速率快，激發(fā)電壓低，能量損耗小，體積尺寸?。?］。利用太赫茲光譜學(xué)可以研究外延生長(zhǎng)的石墨烯層與石墨烯器件中光生電子和空穴的超快弛豫和復(fù)合等動(dòng)態(tài)過(guò)程。在半導(dǎo)體芯片上制作太赫茲的發(fā)射器和探測(cè)器是一項(xiàng)很有吸引力而且必要的技術(shù)，這樣可以減小太赫茲系統(tǒng)的尺寸并且拓寬太赫茲的應(yīng)用范圍。

石墨烯表現(xiàn)出的特殊宏觀性能源于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)。二維石墨烯中的電子能以極高速運(yùn)動(dòng)，行為類似無(wú)靜止質(zhì)量的相對(duì)論性粒子（狄拉克粒子Dirac particle）。石墨烯的出現(xiàn)使得相對(duì)論量子力學(xué)不再僅局限于宇宙學(xué)或高能物理領(lǐng)域，而是進(jìn)入了日常生活狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)室中。石墨烯中的電子各種性質(zhì)引起眾多科學(xué)家的興趣，如室溫下的量子霍爾效應(yīng)、極性電子場(chǎng)載流子運(yùn) 輸、可 調(diào) 帶 隙、高 伸 縮 性 等［2，3，6，7］。Ohca 等通過(guò)調(diào)整每一層石墨烯上載流子的濃度來(lái)改變庫(kù)侖勢(shì)，進(jìn)而控制價(jià)帶與導(dǎo)帶間帶隙寬度，這種帶隙的可控為雙分子層石墨烯在原子水平電子設(shè)備的應(yīng)用提供可能［8］。Novoselov等發(fā)現(xiàn)石墨烯的量子霍爾效應(yīng)一個(gè)有趣現(xiàn)象，零場(chǎng)下石墨烯在狄拉克點(diǎn)附近的電導(dǎo)率并沒(méi)有因載流子的濃度趨近零而消失，相反卻接近量子化的電導(dǎo)率［9］。

本文簡(jiǎn)要介紹了石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)，在理論上分析石墨烯中的電子結(jié)構(gòu)以及由此引起的獨(dú)特的量子霍爾效應(yīng)，同時(shí)總結(jié)了目前比較成熟的石墨烯的制備方法以及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)

石墨烯為蜂巢晶格的單層sp2雜化碳原子排列形成的平面，是各種石墨結(jié)構(gòu)的母體，如圖1所示。二維石墨烯多層疊加形成三維的石墨體，卷曲可以形成一維結(jié)構(gòu)的碳納米管，包裹形成零維的球形富勒烯。

圖1 石墨烯和幾種炭材料的結(jié)構(gòu)［3］Fig.1 Structures of graphene and graphitic forms［3］

單層石墨烯的厚度約0.35nm，碳－碳鍵長(zhǎng)為0.142nm，理論上理想的單層石墨烯的比表面積達(dá)2630m2／g。石墨烯中碳原子呈六環(huán)結(jié)構(gòu)排列，這樣獨(dú)特的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使石墨烯具有較高的拉伸彈性模量（1TPa）和抗拉強(qiáng)度（130GPa）、優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、零帶隙、電子－空穴遷移率高。當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子層就會(huì)彎曲變形來(lái)適應(yīng)外力，而不必使碳原子重新排列，這樣就保持了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

石墨烯晶體結(jié)構(gòu)中每個(gè)元胞包含兩個(gè)碳原子，四個(gè)價(jià)電子的其中三個(gè)分別與鄰近碳原子產(chǎn)生sp2軌道雜化形成三個(gè)σ鍵，另外一個(gè)p軌道電子貢獻(xiàn)給非局域化的π和π＊鍵，分別形成最高占據(jù)電子軌道和最低非占據(jù)電子軌道［8，9，11］。而石墨烯的π鍵與π＊鍵在布里淵區(qū)K點(diǎn)處退化，費(fèi)米面收縮成一個(gè)點(diǎn)，形成無(wú)帶隙的金屬能帶結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。

圖2 單層石墨烯的電子結(jié)構(gòu)［8］Fig.2 Electronic structure of a single layer grapheme［8］

π電子之間的關(guān)系可以通過(guò)緊束縛模型來(lái)描述，最近鄰的電子作用如式（1）：

圖3 石墨晶格 （a）→a 1和→a2是單位矢量；（b）石墨烯倒格點(diǎn)［12］Fig.3 Graphene lattice （a）→a 1 and→a2 are the unit vectors；（b）reciprocal lattice of graphene［12］

s＝±1是帶指數(shù)，θk是波矢的極角。方程（4）說(shuō)明贗自旋矢量在高的帶平行于波矢（s＝1），在低的帶反平行于波矢（s＝－1）。波函數(shù)在K與K’點(diǎn)是時(shí)間反演對(duì)稱的。非均勻的晶格扭曲可能會(huì)影響贗自旋和巴里相位的改變。有趣的是，一個(gè)隨機(jī)的晶格扭曲能夠引起量子反?；魻栃?yīng)，類似于半導(dǎo)體中的自旋霍爾效應(yīng)［15］。

如果石墨烯中的碳原子被B，N等取代，即B或N摻雜石墨烯，將引入缺陷態(tài)，改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，在費(fèi)米能附近態(tài)密度增加，導(dǎo)致石墨烯作為電極時(shí)電容增加；用摻雜的石墨烯作為催化劑載體時(shí)，可以提高催化劑的活性。

2 石墨烯的制備方法

圖4 室溫下石墨烯的量子霍爾效應(yīng)［18］Fig.4 Room－temperature QHE in graphene［18］

制備石墨烯，可歸納為物理方法與化學(xué)方法。物理方法有機(jī)械剝離、印章切取轉(zhuǎn)移印制和剖切碳納米管等方法，主要以石墨為原料，原料便宜易得，而且可以制備大平面的石墨烯結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)方法包括化學(xué)合成法、碳化硅表面外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積、取向附生法和氧化還原法。其中化學(xué)合成方法研究的比較早［19，20］，主要以苯環(huán)或其他芳香體系為核，通過(guò)偶聯(lián)反應(yīng)使苯環(huán)上6個(gè)碳被取代，相鄰取代基之間通過(guò)脫氫形成新的芳香環(huán)，多步反應(yīng)后芳香體系變大，形成石墨烯平面，但該方法不能合成較大平面結(jié)構(gòu)的石墨烯。

2.1 物理方法

2.1.1 機(jī)械剝離法

機(jī)械剝離法是利用石墨層間結(jié)合強(qiáng)度較小的原理，用膠帶黏附在高度取向的石墨表面，反復(fù)黏附、撕開(kāi)最終獲得單層的石墨烯。機(jī)械剝離法是最初用于制備石墨烯的物理方法，這種方法難以精確控制，重復(fù)性較差，難以大規(guī)模制備［1］。

2.1.2 印章切取轉(zhuǎn)移印制法

在印章突起的柱形表面涂上一層轉(zhuǎn)換層，其作用像膠水那樣黏附石墨烯，將印章按壓在石墨塊表面，高壓下印章邊緣產(chǎn)生的極大剪應(yīng)力使得石墨烯層從石墨上分離下來(lái)（見(jiàn)圖5）。制備過(guò)程中通過(guò)顯微鏡觀察，如果效果好，印章上的石墨烯薄片將通過(guò)同樣的方式被轉(zhuǎn)移到設(shè)備器件上，但這需要石墨烯層與基體間的作用力遠(yuǎn)大于印章與石墨烯間的作用力。這種方法雖然操作簡(jiǎn)單，但難以制備單層石墨烯［21］。

2.2 化學(xué)方法

2.2.1 碳化硅表面外延生長(zhǎng)法

SiC經(jīng)過(guò)氫氣刻蝕處理后在高真空下電子束轟擊加熱，將表面的氧化物完全除去后，再將樣品加熱至1250～1450℃，硅原子被釋放，即可得到極薄的石墨烯層［22］。加州理工大學(xué)的 Berger等［11，23］利用這種方法成功制備了石墨烯，圖6為掃描電鏡及原子力顯微鏡下石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)。這種方法難以大面積制備石墨烯，成膜不均勻，而且制備的石墨烯表面的電子性質(zhì)受SiC襯底影響很大，石墨烯沒(méi)有表現(xiàn)出量子霍爾效應(yīng)。碳化硅表面生長(zhǎng)的石墨烯層具有驚人的二維電子氣的屬性，包括長(zhǎng)相位的相干長(zhǎng)度和彈性散射長(zhǎng)度。輸運(yùn)性質(zhì)表明石墨烯界面處的電子支配著輸運(yùn)過(guò)程，它們是狄拉克費(fèi)米子［11］。

圖5 印章切取轉(zhuǎn)移印制法制備石墨烯圖解（a）按壓在石墨基體；（b）切取石墨烯層；（c）觀察黏附的石墨烯質(zhì)量；（d）轉(zhuǎn)移到其它基體上［21］Fig.5 Schematic of graphene－on－demand by cut－and－choose transfer－printing（DCT） （a）press into the graphite substrate；（b）cut graphene sheet；（c）inspect the quality of the graphene sheet；（d）transfer the graphene sheet onto another substrate［21］

2.2.2 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積基本原理是反應(yīng)物質(zhì)在高溫、氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料［24］。Dato等運(yùn)用乙醇液滴作為碳源，利用Ar等離子體合成石墨烯（見(jiàn)圖7），極大地縮短反應(yīng)時(shí)間［25］。利用化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的工藝還在進(jìn)一步探索完善中，目前工藝還不成熟，成本較高。

2.2.3 取向附生法

圖6 外延生長(zhǎng)石墨烯的結(jié)構(gòu) （a）三層石墨烯低能電子衍射圖；（b）石墨化后的4H－SiC原子力顯微鏡照片；（c）SiC（0001）面單層石墨烯的掃描電鏡照片；（d）重構(gòu)界面掃描電鏡圖［11］Fig.6 Production and characterization of EG （a）LEED pattern of three monolayers of EG on 4H－SiC；（b）AFM image of graphitized 4H－SiC；（c）SEM image of one monolayer of EG on SiC（0001）；（d）SEM image of interface reconstruction［11］

取向附生法是利用生長(zhǎng)基質(zhì)的原子機(jī)構(gòu)生長(zhǎng)出石墨烯。在1150℃下使碳原子滲入釕基質(zhì)，冷卻到850℃左右，釕基體里吸收的大量碳原子浮到基體表面，最終長(zhǎng)成一層完整的石墨烯。第一層約覆蓋80%后，第二層開(kāi)始生長(zhǎng)。底層的石墨烯與釕產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，而第二層與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到令人滿意的石墨烯。這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片厚度不均勻，而且石墨烯與基質(zhì)間黏合會(huì)影響碳層的特性。

2.2.4 氧化還原法

以氧化石墨烯作為前驅(qū)體，通過(guò)還原得到單層或多層石墨烯。制備氧化石墨烯的方法主要有Brodie、Staudenmaier和 Hummers［26，27，28，29］。 三 種 方 法 的 基本原理都是先用強(qiáng)質(zhì)子酸處理石墨，在C－C骨架間擁有大量的羰基、羥基和環(huán)氧基等基團(tuán)，形成石墨層間化合物導(dǎo)致石墨層間距增大，然后利用超聲或振蕩將石墨層分離，形成氧化石墨烯懸浮水溶液。因氧化石墨烯上的碳原子屬sp3雜化，使得石墨烯的平面結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而降低了石墨烯的導(dǎo)電性。利用熱退火或化學(xué)還原等方法還原氧化石墨，可以部分恢復(fù)原有的導(dǎo)電性。

圖7 石墨烯薄膜的合成 （a）大氣壓微波等離子體反應(yīng)合成石墨烯；（b）分散在甲醇溶液中的石墨烯薄膜；（c）石墨烯透射電鏡圖片［25］Fig.7 Synthesis of graphene sheets （a）schematic of the atmospheric－pressure microwave plasma reactor used to synthesize graphene；（b）graphene sheets dispersed in methanol；（c）TEM image of graphene sheets［25］

Stankovich等［29，31］在溶液中還原剝落的氧化石墨烯納米片引起不可逆團(tuán)聚，這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)強(qiáng)還原劑還原后的氧化石墨烯碳原子由sp3結(jié)構(gòu)變?yōu)閟p2結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其在溶劑中分散性變差，發(fā)生不可逆團(tuán)聚。對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行修飾后再還原可以解決不可逆團(tuán)聚問(wèn)題?；瘜W(xué)修飾主要包括共價(jià)鍵修飾［32，33，34］、非共價(jià)鍵修飾［10，35］和 金 屬 顆 粒 及 金 屬 離 子 修 飾［36，37］。Stankovich等通過(guò)異氰酸酯對(duì)氧化石墨進(jìn)行功能化修飾，機(jī)理如圖8所示，異氰酸酯恢復(fù)了氧化石墨烯片層的親水性，通過(guò)形成氨基化合物與氨基甲酸酯分別與氧化石墨上的羧基與羥基成鍵［30］，在極性非質(zhì)子溶劑中形成穩(wěn)定的膠束體系。修飾的氧化石墨層與高分子混合，經(jīng)過(guò)化學(xué)還原后，保證了石墨烯片層在高分子基體中的分散，獲得導(dǎo)電性優(yōu)良的石墨烯高分子復(fù)合材料。

氧化還原法是最有希望實(shí)現(xiàn)規(guī)?；纳a(chǎn)方法，與其他方法相比具有成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)。而且得到的氧化石墨烯，容易實(shí)現(xiàn)與其他功能基團(tuán)、納米粒子復(fù)合，獲得多種改性的石墨烯、復(fù)合材料的前驅(qū)體等。

3 石墨烯的應(yīng)用

3.1 取代硅用于電子產(chǎn)品

圖8 異氰酸鹽處理氧化石墨的反應(yīng)過(guò)程［30］Fig.8 Proposed reactions during the isocyanate treatment of GO［30］

石墨烯是零帶隙半導(dǎo)體，具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的導(dǎo)電性。石墨烯運(yùn)送電子的速率比硅快幾十倍，石墨烯器件制成的計(jì)算機(jī)運(yùn)行速率可達(dá)到太赫茲。IBM的研究人員展示了一種由石墨烯材料制作而成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其截止頻率可達(dá)100GHz，是迄今為止運(yùn)行速率最快的射頻石墨烯晶體管［38］。

石墨烯一個(gè)特點(diǎn)是，即使被切成1nm寬的元件，仍具有高的導(dǎo)電性。而硅被分割成小于10nm的小片后，其誘人的電子性能就會(huì)喪失。

石墨烯器件可用于需要高速工作的通信技術(shù)和成像技術(shù)，有專家認(rèn)為，石墨烯很可能首先應(yīng)用于高頻領(lǐng)域，如太赫茲波成像探測(cè)隱藏的武器、光電傳感器檢測(cè)光纖中攜帶的信息。2010年10月，IBM的一個(gè)研究組首次報(bào)道了石墨烯光電探測(cè)器，劍橋大學(xué)與法國(guó)CNRS研究人員已研究出超快鎖模石墨烯激光器。眾多研究成果顯示了石墨烯將會(huì)替代硅在光電器件上大有可為。

3.2 傳感器

石墨烯與電解液的界面電化學(xué)層對(duì)p H非常敏感，因此石墨烯可以用于制造p H傳感器。頻變阻抗測(cè)量說(shuō)明H3O＋和OH－的吸附支配著雙層石墨烯的電化學(xué)性質(zhì)［39］。石墨烯對(duì)表面電荷或離子濃度的敏感響應(yīng)，預(yù)示了其在超快、超低噪音生物傳感器或化學(xué)傳感器方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

固態(tài)氣體傳感器具有高靈敏度、低成本和微小尺寸等優(yōu)點(diǎn)［40］。目前比較先進(jìn)的傳感器使用碳納米管和半導(dǎo)體納米線［41，42］，它們可以探測(cè)較低濃度的有毒氣體分子，檢測(cè)限達(dá)到10－9，大量應(yīng)用在工廠、環(huán)境探測(cè)及軍工領(lǐng)域。石墨烯作為分子傳感器的原理是：不同分子吸附在石墨烯表面作為電子的給體或受體，引起電導(dǎo)率變化，通過(guò)電導(dǎo)率變化探測(cè)到氣體或液體分子。Schedin等［43］通過(guò)微機(jī)械分離法在氧化硅層表面獲得了10μm 單晶石墨烯，分別對(duì)CO，H2O，NH3，NO2在石墨烯表面的吸附做了研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)NO2的檢測(cè)最為迅速。檢測(cè)后，石墨烯經(jīng)過(guò)真空退火可還原到初始狀態(tài)，而且反復(fù)的退火檢測(cè)操作不會(huì)改變石墨烯的化學(xué)性質(zhì)。Sundaram等［44］通過(guò)電化學(xué)方法將Pd顆粒沉積在石墨烯表面，對(duì)H2有很好的靈敏性，可作為H2傳感器。研究者也對(duì)HCN、甲基磷酸二甲酯（DMMP）、氯乙基硫醚（CEES）、二硝基甲苯（DNT）做了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)對(duì)四種物質(zhì)的檢測(cè)限分別為7×10－8，5×10－9，5×10－10，10－10，后兩者與碳納米管作為傳感器的檢測(cè)限相當(dāng)。碳納米管對(duì)于HCN檢測(cè)限大于4×10－6，而還原后的氧化石墨烯可將檢測(cè)限降低至7×10－8。這是由于HCN與sp2雜化成鍵的碳納米管作用很弱，而還原后的氧化石墨烯存在較多殘余缺陷，HCN與其有很強(qiáng)的作用［45］。

3.3 用于電極材料

在過(guò)去幾十年中，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管被廣泛應(yīng)用［46－48］，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的 S／D（source／drain）電極和與有機(jī)半導(dǎo)體的界面材料得到科學(xué)家的關(guān)注。金屬的S／D電極與有機(jī)半導(dǎo)體界面間存在較大接觸電阻，制作S／D電極的材料必須具有高的載流子注入率，并且與有機(jī)半導(dǎo)體接觸有優(yōu)異的界面屬性。石墨烯因其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和高的導(dǎo)電性成為未來(lái)電極材料的主角。Di等［49］研究了金屬和石墨烯電極對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的差別，銅或銀S／D電極的器件工作效率很低，而石墨烯電極的輸出電壓達(dá)到4.8～4.9e V，比銅和銀分別高出0.3eV和0.7eV，并且石墨烯與有機(jī)半導(dǎo)體間空穴注入能壘較低，兩者的共同作用降低了界面的接觸電阻。

Wang等［50］研究了石墨烯薄膜作為燃料敏化太陽(yáng)能電池陽(yáng)極的性能，超薄石墨烯薄膜的透光率為70%，電導(dǎo)率達(dá)到550s／cm，光電轉(zhuǎn)換效率為0.26%。Wu等［51］通過(guò)溶液法制備的石墨烯薄膜厚度可小于20nm，光透率大于80%，可用于固態(tài)薄膜有機(jī)光電池的陽(yáng)極，效果與銦錫氧化物接近。

3.4 其他應(yīng)用

石墨烯復(fù)合材料是石墨烯應(yīng)用研究的重要內(nèi)容，該方面研究論文約占石墨烯論文的30%。石墨烯已經(jīng)被成功地與無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)、有機(jī)晶體、聚合物、金屬有機(jī)框架結(jié)構(gòu)、生物材料、碳納米管等材料復(fù)合，在電池、超級(jí)電容器、燃料電池、光催化、傳感器等領(lǐng)域得到了廣泛的研究。制備石墨烯復(fù)合材料的關(guān)鍵是保證石墨烯在基體中充分分散。純石墨烯是一種疏水材料，并且在大多數(shù)溶劑中的溶解性質(zhì)僅依靠靜電排斥作用，而不需要添加其它聚合物或表面活性劑，石墨烯薄膜還能形成穩(wěn)定的溶液膠體。通過(guò)交替浸泡一種基質(zhì)到帶負(fù)電的石墨烯膠體和帶正電的聚陽(yáng)離子溶液中，石墨烯薄膜能與其它功能材料在分子或納米尺度整合，形成多功能石墨烯復(fù)合材料［52，53］。通過(guò)氫鈍化和超聲技術(shù)處理，石墨烯薄片可以很好的分散在基體材料中，制備的石墨烯復(fù)合材料在彈性、斷裂強(qiáng)度和斷裂能方面顯著提高［54］。

化學(xué)方法剝離的石墨烯或石墨烯氧化物擁有許多活性含氧基團(tuán)，使得對(duì)其表面進(jìn)行功能化修飾和性質(zhì)的調(diào)控成為可能。由于可以將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，人們通過(guò)將石墨烯與不同種類的功能性材料復(fù)合，對(duì)其有用的性質(zhì)進(jìn)行研究及利用。

石墨烯在能源方面的應(yīng)用包括鋰離子電池、燃料電池和超級(jí)電容器等。Sun等對(duì)此做出了詳細(xì)的綜述［55］。理論上石墨烯具有高達(dá)2630m2／g的比表面積，為儲(chǔ)氫提供了可能。Ghosh等研究了石墨烯對(duì)氫氣和二氧化碳的吸附性能［56］。在100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、298K條件下，儲(chǔ)氫量質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.1，鋁摻雜的石墨烯儲(chǔ)氫質(zhì)量百分比達(dá)到5.13，目前仍低于美國(guó)能源部給出的目標(biāo)（6.0%）。

不同孔徑大小的石墨烯可以用作離子篩。Sint等［57］通過(guò)離子刻蝕方法獲得兩種不同孔徑的石墨烯，根據(jù)孔徑大小及孔洞邊緣的不同可選擇性的通過(guò)Li＋，Na＋，K＋，Cl－，Br－等離子。

在生物領(lǐng)域，嵌入生物傳感器界面的石墨烯可增大電極的有效表面積。將金屬納米粒子沉積在石墨烯表面，實(shí)現(xiàn)納米顆粒固定生物分子的作用，形成高效的生物傳感器或生物質(zhì)催化劑。例如，將鉑或鈀納米顆粒噴灑到分層的石墨納米片上，可以起到葡萄糖傳感器的變送器作用。該變送器的靈敏度高達(dá)（61.5±0.6）μA／（mm.cm－2），反應(yīng)時(shí)間小于2s。

另外，將石墨烯作為分散介質(zhì)或模板劑，水熱或溶劑熱法合成功能性納米粒子，可以將功能性納米粒子嵌入石墨烯層間、提高納米顆粒的分散性，從而提高納米粒子的作用效果。

石墨烯具有較高的強(qiáng)度，利用這一性質(zhì)人們提出很多構(gòu)想，例如可以制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)、制造超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的3.7×104km長(zhǎng)太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

石墨烯因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的物理、力學(xué)和電學(xué)性能吸引了無(wú)數(shù)科學(xué)家的目光。國(guó)內(nèi)一些企業(yè)、政府成立了石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)基地，似乎一夜之間石墨烯的規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)變得成熟、市場(chǎng)也開(kāi)始大量需要石墨烯。綜合分析石墨的特點(diǎn)、目前的研究狀況，應(yīng)該說(shuō)高質(zhì)量、單層石墨烯的制備還處于實(shí)驗(yàn)室階段。石墨烯可以提高鋰離子電池、超級(jí)電容器、燃料電池、聚合物復(fù)合材料以及催化劑的性能，但是要達(dá)到實(shí)用化、市場(chǎng)化，需要首先降低石墨烯的生產(chǎn)成本，提高石墨烯質(zhì)量的穩(wěn)定性。

石墨烯未來(lái)最大的用途可能還是在電子學(xué)領(lǐng)域，在通常條件下，石墨烯中的電子可以在亞微米范圍沒(méi)有阻礙的運(yùn)動(dòng)，速率達(dá)到106m／s，從源極轉(zhuǎn)移到漏極只需不到0.1ps的時(shí)間。除了高遷移率、低噪聲使其能夠用于場(chǎng)效應(yīng)管，人們也成功開(kāi)發(fā)出具有GHz響應(yīng)頻率的晶體管。要實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，前提是得到高純凈的石墨烯。

石墨烯的許多性質(zhì)還沒(méi)有被完全了解，磁性質(zhì)就是其中之一。石墨烯層數(shù)與性質(zhì)的關(guān)系需要深入研究。改性石墨烯（例如碳原子被硼或硅取代）以及通過(guò)層狀材料（如MoS2）形成的無(wú)機(jī)石墨烯將會(huì)有廣闊的應(yīng)用空間。

目前，石墨烯制備方法多樣化，優(yōu)缺點(diǎn)并存，科研人員仍然需要更多的理論和實(shí)驗(yàn)來(lái)大規(guī)模合成結(jié)構(gòu)完整、尺寸和層數(shù)可控的高質(zhì)量石墨烯。2014年1月中國(guó)石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)正式發(fā)布中國(guó)石墨烯第1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)《石墨烯材料的名詞術(shù)語(yǔ)與定義》，這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于規(guī)范中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極作用。應(yīng)該說(shuō)石墨烯及其功能材料的研究方興未艾，大有作為，但要實(shí)現(xiàn)真正意義上的石墨烯商品化，還需要做大量的研發(fā)和基礎(chǔ)研究工作。

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