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1、第一卷第一期石墨烯的研究态势及其运用前景Vo.l1No.12011年五月may2011石墨烯的研究态势及其运用前景赵彦辉(长安大学材料学院无机非金属系,西安710018)摘要：2010年,AndreGeim和KostyaNovoselov凭借着在石墨烯方面的创新研究而获得了诺贝尔物理学奖.石墨烯是一种单原子层结构的碳纳米材料,具有特殊的优异的力学、电学和光学性质,无论在物理学、化学,还是信息领域、能源领域以及器件制造等方面,都具有巨大的研究价值和应用前景。本文介绍了石墨烯的概念、结构特点和性质,总结了石墨烯的各种制备方法以及表征方法,指出了石墨烯在国内外的应
2、用态势,展望了该材料的应用前景和研究价值。关键词:石墨烯;结构;性质;应用;文献计量前言随着2010年诺贝尔物理学奖得主的揭晓,科学界又开始了一轮新的关于诺贝尔奖的讨论,同时石墨烯(Graphene)也成为大家讨论的焦点。2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫利用普通胶带成功地从石墨中剥离出石墨烯,这种材料仅有一个碳原子厚,是目前已知的最薄的材料。它不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固而柔软;作为单质,它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域,同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新
3、突破,它的问世引起了全世界的研究热潮。本文拟通过对已发表的与石墨烯相关的文献进行分析,以理清石墨烯研究发展的演化趋势以及学科发展的前沿领域,展现石墨烯的发展脉络及运用前景。1、石墨烯的概念拿破仑曾经说过:笔比剑更有威力!他说这话的意思是指舆论比武力更厉害。不过,他绝对没有想到铅笔芯中确实包含着地球上强度最高的物质!我们知道,铅笔芯的原材料是石墨,而石墨是一类层状的材料,即由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于碳层之间的作用力比较弱,因此石墨层间很容易互相剥离开来,从而形成很薄的石墨片层,这也正是铅笔可以在纸上留下痕迹的原因。如果将石墨逐层地剥
4、离,直到最后只形成一个单层,即厚度只有一个碳原子的单层石墨,这就是石墨烯.石墨烯的厚度只有0.335nm,比纸还要薄100万倍,把20万片石墨烯叠加到一起,也只有一根头发丝的厚度,但是它的强度却比钻石还要坚韧,同时,作为单质,它在室温下传递电子的速度要超过任何一种已知的导体。石墨烯Graphene是碳的一种形式,它具有完整的原子晶格,其厚度恰恰为一个原子,作为一种全新的材料,它不仅有从未见过的薄!,而且还是特强!的.两位获奖者AndreGeim和KonstantinNovoselov指出:处于这种平面形式的碳,具有非凡的量子物理世界的独特性质.石墨烯作为一种
5、电的导体,表现出与铜一样的导电性,而作为一种热导体,-5-第一卷第一期石墨烯的研究态势及其运用前景Vo.l1No.12011年五月may2011它比其他的已知材料更为杰出.它几乎是完全透明的,但是它却相当的稠密,以致使如氦(He)那样最小的气体分子,也不能通过它.Geim和Novoselov是从一块通常在铅笔中使用的石墨内取出石墨烯的.他们以常用的透明胶纸,设法得到具有恰是一个原子厚的碳薄片.当时许多人认为如此薄的晶体材料是不可能保持稳定的.然而在目前,石墨烯已被物理学家作为一类新的具有独特性能的二?维!材料进行着研究.可以预测:由石墨烯所制得的晶体管,将比
6、今天所用的硅晶体管有着更快的速度,从而使计算机的效率获得进一步的提高.因为石墨烯是透明的,又是优良的导体,所以它适用于制作透明的触摸屏、光板(lightpanel),甚至可应用于太阳能电池.将石墨烯混合于塑料中,可以使塑料成为导电材料,同时也使之变得更加抗热和具机械耐力.它的良好恢复力可使之用作超强材料,并且是很薄的、具有弹性的轻质材料.因此,可以预期将来的人造卫星、飞机,甚至汽车都可能用这类新的复合材料为原料进行制造。1、石墨烯的结构和性质石墨烯仅仅是一个原子的厚度——或许是宇宙中最薄的材料——并形成了高质量的晶体格栅.石墨烯是由碳原子六角结构(蜂窝状)紧
7、密排列构成的二维单层石墨,是构造其他维度碳质材料的基本单元。它可以包裹形成0维富勒烯（Fullerene）,它也可以卷起来形成一维的碳纳米管(CarbonNanotube);同样,它也可以层层堆叠构成三维的石墨。迄今为止,研究者们仍没有发现石墨烯中会有碳原子缺失的情况,但是在2007年,Meyer等人观察到石墨烯的单层并不是完全平整的,它的表面会有一定高度的褶皱,单层石墨烯的褶皱程度明显高于双层石墨烯,并且褶皱程度会随着石墨烯层数的增加而越来越小.一些研究者认为,从热力学的角度来分析,这可能是由于单层石墨烯为降低其表面能,由二维形貌向三维形貌转换,或者也可以
8、认为褶皱是二维石墨烯存在的必要条件之一。但具体的原因
