2010年10月5日，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈#8226;海姆(Andre Geim)教授和康斯坦丁#8226;諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)教授因從事石墨烯的研究并揭示了其性質(zhì)而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這一消息讓6年前就已經(jīng)面世的石墨烯再次成為熱門話題:什么是石墨烯?它和石墨有什么關(guān)系?它有何神奇之處?

神奇的石墨烯

我們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。

第一片石墨烯材料于2004年由任職于英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈#8226;海姆教授和他的博士后助手康斯坦丁#8226;諾沃肖洛夫研制出來。他們將石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，然后用塑料膠帶粘住薄片的兩側(cè)面，撕開膠帶。通過反復(fù)的粘貼與撕開，獲得了越來越薄的薄石墨片，直至最終成為單原子層的石墨烯。

石墨烯是由碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質(zhì)，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。其完美的晶格結(jié)構(gòu)，常被誤認(rèn)為很僵硬，但事實(shí)并非如此。石墨烯各個(gè)碳原子間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形。這樣，碳原子就不需要重新排列來適應(yīng)外力，這也就保證了石墨烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，使得石墨烯比金剛石還堅(jiān)硬，同時(shí)可以像拉橡膠一樣進(jìn)行拉伸。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)還使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。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。由于其原子間作用力非常強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。

石墨烯被證實(shí)是世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅(jiān)硬的物質(zhì)。其厚度只有0.335納米， 把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。單層石墨烯幾乎透明，其分子排列緊密， 即使原子尺寸最小的氦也不能通過

石墨烯的另一特性是，其導(dǎo)電電子不僅能在晶格中無障礙地移動(dòng)，而且速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的移動(dòng)速度。還有，其導(dǎo)熱性超過現(xiàn)有一切已知物質(zhì)。石墨烯的上述特性非常有利于超薄柔性O(shè)LED顯示器的開發(fā)。據(jù)了解，韓國(guó)三星公司的研究人員已經(jīng)制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。

近年來，以石墨烯為代表的新型電子材料研究獲得一系列進(jìn)展。研究表明，石墨烯薄膜具有與碳納米管薄膜相比擬的場(chǎng)發(fā)射特性，在半導(dǎo)體器件和平板顯示等方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景;由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的晶體學(xué)質(zhì)量，為量子電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的研究提供了理想的平臺(tái)，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值。

此外，石墨烯與塑料復(fù)合后，可使其成為導(dǎo)體并提高其機(jī)械性能和耐熱性。石墨烯與塑料復(fù)合制成的新材料，輕巧而堅(jiān)固，可應(yīng)用于新一代人造衛(wèi)星、飛機(jī)及汽車等交通工具。

中國(guó)科學(xué)院物理所北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室張廣宇教授也指出，石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，可望在高性能納米電子器件、復(fù)合材料、氣體傳感器及能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

目前，石墨烯已成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一;石墨烯的電子遷移率較高，能把電極做得更薄、更透明，良好的導(dǎo)電性及其對(duì)光的高透過性使其在液晶顯示以及太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域獨(dú)具優(yōu)勢(shì);還有，石墨烯在高靈敏度傳感器和高性能儲(chǔ)能器件上可一展身手。近年來，各國(guó)科技工作者在石墨烯材料性能、石墨烯器件和材料批量制備上取得了許多新進(jìn)展。作為新型的電子材料，在石墨烯的研究和開發(fā)中，我國(guó)科學(xué)家也占有一席之地。

多年探索終獲

諾貝爾獎(jiǎng)

安德烈#8226;海姆和康斯坦丁#8226;諾沃肖洛夫很早就開始從事石墨烯及相關(guān)器件的研究，其中重要成果除了率先制備出石墨烯材料之外，還研制出了世界最小的晶體管和具有絕緣性的石墨烷。

2008年4月，兩人率領(lǐng)的英國(guó)科學(xué)家研制出的世界最小晶體管， 其僅1個(gè)原子厚10個(gè)原子寬，所采用的材料是由單原子層構(gòu)成的石墨烯。他們采用標(biāo)準(zhǔn)的晶體管工藝，首先在單層石墨膜上用電子束刻出溝道。然后在所余下的被稱為“島”的中心部分封入電子，形成量子點(diǎn)。石墨烯晶體管柵極部分的結(jié)構(gòu)為10多納米的量子點(diǎn)夾著幾納米的絕緣介質(zhì)。施加電壓后，這種量子點(diǎn)會(huì)改變導(dǎo)電性，這樣一來，量子點(diǎn)如同于標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管一樣，可記憶晶體管的邏輯狀態(tài)。

除了已開發(fā)出了10納米級(jí)的可實(shí)際運(yùn)行的石墨烯晶體管外，安德烈#8226;海姆和康斯坦丁#8226;諾沃肖洛夫的團(tuán)隊(duì)還研制出長(zhǎng)寬均為1個(gè)分子的更小的石墨烯晶體管。該石墨烯晶體管實(shí)際上是由單原子組成的晶體管。

2009年，安德烈#8226;海姆和康斯坦丁#8226;諾沃肖洛夫又在石墨烯基礎(chǔ)上開發(fā)出一種具有突破性的新材料——石墨烷。他們用純凈的石墨烯和氫研制出了一種具有絕緣性能的二維晶體石墨烯衍生物——石墨烷。 他們?cè)诓黄茐氖┆?dú)特的六角形晶格結(jié)構(gòu)和單原子厚度的情況下，在每個(gè)碳原子上都增加了一個(gè)氫原子，從而制備出具有新特性的石墨烷材料。該實(shí)驗(yàn)證明了可以通過化學(xué)方法改變石墨烯的性能，這為制備其他基于石墨烯的化學(xué)衍生物提供了實(shí)用性方法。

安德烈#8226;海姆和康斯坦丁#8226;諾沃肖洛夫的這些開創(chuàng)性研究為石墨烯的廣泛發(fā)展和應(yīng)用開拓了道路，帶動(dòng)了一批大公司加入到石墨烯的研究陣營(yíng)，其中，IBM做了很多開創(chuàng)性的工作。

2008年IBM沃森研究中心的科學(xué)家在世界上率先制成了低噪聲石墨烯晶體管。普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱做1/f的噪音會(huì)越來越明顯，使器件信噪比惡化。這種現(xiàn)象就是“豪格規(guī)則(Hooge's law)”，石墨烯、碳納米管以及硅材料都會(huì)產(chǎn)生該現(xiàn)象。IBM通過重疊雙層石墨烯，成功試制出了石墨烯晶體管。由于雙層石墨烯之間生成了強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制了1/f噪音。隨后的2009年，在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)資助下，IBM沃森研究中心還開發(fā)出高速石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管。該石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的在柵極長(zhǎng)度150納米時(shí)，截止頻率達(dá)到了26GHz。

IBM還率先確立了石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極長(zhǎng)度與工作頻率之間的關(guān)系。 IBM采用絕緣體上硅作為襯底，在其上制作石墨烯晶體管群。IBM利用雙層石墨烯，解決了把細(xì)帶狀石墨烯作為溝道時(shí)所產(chǎn)生的噪聲問題。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出基于高性能石墨烯晶體管的射頻通信電路。

今年年初，IBM又宣布通過改進(jìn)柵極的絕緣層等措施，開發(fā)出了截止頻率高達(dá)100GHz的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管。上述石墨烯器件能用于需要高速工作的通信技術(shù)和成像技術(shù)，比如用來探測(cè)隱藏的武器。

除了IBM外，一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也做出了大量探索性的工作。2010年5月美國(guó)萊斯大學(xué)和以色列理工學(xué)院使用化學(xué)溶液大批量制造出高純度石墨烯的方法。研究人員將石墨溶解于一種名為氯磺酸的超強(qiáng)酸中，石墨中單個(gè)的石墨烯薄層在溶液中自然剝落開來。每升酸溶液中可溶解兩克石墨烯，使用這種高濃度的、含有石墨烯的溶液科學(xué)家們制造出了透明的薄膜。該導(dǎo)電薄膜制成的觸摸屏成本要低于目前智能手機(jī)上使用的觸摸屏。此外，研究人員還利用該方法制造出了液晶。

石墨烯薄膜的制備

石墨烯的研究基礎(chǔ)是基于其成功制備，這也是石墨烯的研究重點(diǎn)。制備方法有幾種:機(jī)械剝離天然石墨、SiC襯底上外延、化學(xué)氣相積淀、化學(xué)氧化還原和化學(xué)剝離等?；跈C(jī)械剝離方法制備樣品，效率低，成本高，其晶體尺寸通常在幾個(gè)微米以下，不能用于石墨烯樣品的大量制作。SiC襯底上外延效率較高，但樣品存在大量的缺陷。化學(xué)氧化還原利于批量生產(chǎn)，但易于混入雜質(zhì)。

2009年1月韓國(guó)成均館大學(xué)和三星先進(jìn)技術(shù)研究院的研究人員開發(fā)出一種制備大尺寸石墨烯薄膜的方法。這種石墨烯薄膜不僅具備高硬度和高拉伸強(qiáng)度，其電學(xué)特性也是現(xiàn)有材料中最好的。其單原子層厚的碳薄片，可以用來制造平板顯示器所必需的柔性、超薄電極和晶體管。另外，石墨烯還可以制作可折疊的有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)顯示器和有機(jī)太陽(yáng)能電池。

2009年，美國(guó)萊斯大學(xué)的化學(xué)家詹姆斯#8226;賽領(lǐng)導(dǎo)的研究小組和斯坦福大學(xué)化學(xué)系教授戴洪杰領(lǐng)導(dǎo)的研究小組分別成功地使用圓柱狀的碳納米管制造出了幾十納米寬的石墨烯帶。這些石墨烯帶的應(yīng)用范圍涵蓋太陽(yáng)能電池、計(jì)算機(jī)等。

此前，研究人員使用化學(xué)藥品或超聲波將石墨烯切成帶狀，但該方法無法用來大規(guī)模制造石墨烯帶，也無法控制其寬度。戴洪杰研究小組使用從半導(dǎo)體工業(yè)借鑒過來的蝕刻技術(shù)切開納米管。他們將碳納米管粘附到一個(gè)聚合物薄膜上，然后使用經(jīng)過電離的氬氣來刻蝕每個(gè)納米管的每一個(gè)條帶，得到的石墨烯帶的寬度僅為10納米至20納米。

人們還通過將氧化石墨烯進(jìn)行還原反應(yīng)來制備石墨烯。這樣得到的石墨烯薄片是二維的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其中雖大多數(shù)是碳原子，但也交織著氧原子和氫原子，這大大降低了石墨烯薄片的純度。美國(guó)研究人員開發(fā)出了通過添加氫原子，從而進(jìn)一步還原氧化石墨烯的方法。

我國(guó)科學(xué)家也參與到這項(xiàng)研究中，2010年5月中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員采用液相化學(xué)氧化還原法制備出石墨烯，并利用設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉的電泳沉積技術(shù)制備石墨烯薄膜。在此基礎(chǔ)上，研究人員還利用設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉的液相電化學(xué)沉積技術(shù)制備出非晶碳納米顆?！?fù)合薄膜，初步研究結(jié)果表明非晶碳納米顆粒的介入在不犧牲石墨烯薄膜高導(dǎo)電性的前提下極大地改善了膜基結(jié)合強(qiáng)度。

特別值得一提的是，2010年6月韓國(guó)成均館大學(xué)、韓國(guó)三星公司和日本名城大學(xué)分別研制出了30英寸大面積石墨烯片的制作方法。韓國(guó)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，采用化學(xué)氣相淀積的方法，制造出了電視機(jī)屏幕面積的純石墨烯片。這是迄今為止面積最大的石墨烯片。他們已經(jīng)用該石墨烯片制出了一塊柔性觸摸屏。

其他重點(diǎn)研究領(lǐng)域

石墨烯的研究有可能給信息技術(shù)領(lǐng)域帶來變革。石墨烯被認(rèn)為可以作為替代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的新材料，有望開啟半導(dǎo)體新紀(jì)元。石墨烯在信息領(lǐng)域的另一個(gè)應(yīng)用是成為信息載體。因?yàn)槭┦蔷哂凶孕孔有?yīng)的特殊材料，與高溫超導(dǎo)體、磁性材料相比，更容易獲得和使用。

在所有石墨烯的相關(guān)研究中，以硅為襯底的石墨烯是用石墨烯制作可實(shí)用的半導(dǎo)體器件的主要發(fā)展方向。其中一個(gè)重要原因是比較利于使用常規(guī)光學(xué)顯微鏡觀察到制作成果。

目前新的發(fā)展方向是將石墨烯用于三維器件和22納米工藝的開發(fā)。石墨烯的最大電流密度高達(dá)108A/cm2，是銅的1000倍。其可用于無法使用銅通孔的大規(guī)模集成電路布線工藝，作為連接多層布線各層的通孔材料。此外，也可以將石墨烯應(yīng)用于22納米大規(guī)模集成電路的橫向布線

還有，物聯(lián)網(wǎng)將廣泛使用傳感器。因?yàn)槭┠芴岣邆鞲衅鞯撵`敏度，這有助于物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)器件的開發(fā)。

鏈接

部分石墨烯研究成果

2009年12月1日在美國(guó)召開的材料科學(xué)國(guó)際會(huì)議上，日本富士通研究所宣布，他們用石墨烯制作出了幾千個(gè)晶體管。富士通研究所的研究人員將原料氣體吹向事先涂有用做催化劑的鐵的襯底，在這種襯底上制成大面積石墨烯薄膜。

大面積的石墨烯制備一直是個(gè)難題。富士通用上述方法制成了高質(zhì)量的7.5厘米直徑的石墨烯膜。在此基礎(chǔ)上，再配置電極和絕緣層，制成了石墨烯晶體管。由于石墨烯面積較大，富士通在上面制成了幾千個(gè)晶體管。石墨烯晶體管比硅晶體管功耗低和運(yùn)行速度快，可制作出性能優(yōu)良的半導(dǎo)體器件。如果改進(jìn)技術(shù)后有望進(jìn)一步擴(kuò)大石墨烯面積，這樣能夠制作出更多的晶體管和石墨烯集成電路，為生產(chǎn)高檔電子產(chǎn)品創(chuàng)造了條件。

2009年11月日本東北大學(xué)與會(huì)津大學(xué)通過合作研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯可產(chǎn)生太赫茲光的電磁波。研究人員在硅襯底上制作了石墨烯薄膜，將紅外線照射到石墨烯薄膜上，只需很短時(shí)間就能放射出太赫茲光。如果今后能夠繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)，使光源強(qiáng)度進(jìn)一步增大，將開發(fā)出高性能的激光器。

研究團(tuán)隊(duì)在硅襯底上使用有機(jī)氣體制作一層碳硅化合物。然后，進(jìn)行熱處理，使其生長(zhǎng)出石墨烯的薄膜。該石墨烯薄膜只需極短暫的時(shí)間照射紅外線，就能從石墨烯上發(fā)送出太赫茲光。目前，該團(tuán)隊(duì)正致力于開發(fā)能將光粒封閉在內(nèi)部，使光源強(qiáng)度增加的器件，期望能夠開發(fā)出在接近室溫條件下可工作的太赫茲激光器。

2010年，美國(guó)萊斯大學(xué)利用該石墨烯量子點(diǎn)，制作單分子傳感器。萊斯大學(xué)將石墨烯薄片與單層氦鍵合，形成石墨烷。石墨烷是絕緣體。氦使石墨烯由導(dǎo)體變換成為絕緣體。研究人員移除石墨烯薄片兩面的氦原子島，就形成了被石墨烷絕緣體包圍的、微小的導(dǎo)電的石墨烯阱。該導(dǎo)電的石墨烯阱就可作為量子阱。量子點(diǎn)的半導(dǎo)體特性要優(yōu)于體硅材料器件。這一技術(shù)可用來制作化學(xué)傳感器、太陽(yáng)能電池、醫(yī)療成像裝置或是納米級(jí)電路等。