摘 要：石墨烯的發(fā)現(xiàn)不僅打破了二維晶體無(wú)法真實(shí)存在的理論預(yù)言，更為重要的是石墨烯的出現(xiàn)帶來(lái)了眾多出乎人們意料的新奇特性，使它成為一個(gè)里程碑式的新材料。

關(guān)鍵詞：石墨烯；特性；結(jié)構(gòu)；應(yīng)用

1.石墨烯

目前在科學(xué)界最熱門(mén)的材料就是石墨烯。石墨烯與石墨有緊密的聯(lián)系。石墨是一類(lèi)層狀的材料，它是由一層又一層的二維平面碳原子網(wǎng)絡(luò)有序堆疊而形成的。由于層間的作用力較弱，因此石墨層間很容易互相剝離，形成薄的石墨片。這樣的剝離存在一個(gè)最小的極限，那就是單層的剝離，即形成厚度只有一個(gè)碳原子的單層石墨，這就是石墨烯。長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家們一直認(rèn)為這種純粹的二維晶體材料是無(wú)法穩(wěn)定存在的。直到2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的科研人員憑借極大的耐心與一點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)氣終于首次發(fā)現(xiàn)了石墨烯。他們通過(guò)透明膠帶對(duì)石墨進(jìn)行反復(fù)的粘貼與撕開(kāi)使得石墨片的厚度逐漸減小，最終通過(guò)顯微鏡在大量的薄片中尋找到了理論厚度只有0.34納米的石墨烯。

2.石墨烯的結(jié)構(gòu)

石墨烯是由碳原子六角結(jié)構(gòu)（蜂窩狀）緊密排列的二維單層石墨層。同時(shí)，石墨烯還可以包成零維富勒烯，卷成一維碳納米管，疊成三維石墨，它是眾多碳質(zhì)材料的基元，如果對(duì)石墨烯有更深入的了解，就有可能依照人們的意愿定向制備某種需要的碳質(zhì)材料。石墨烯層并不是完全平整的，它具有物質(zhì)微觀狀態(tài)下固有的粗糙性，表面會(huì)出現(xiàn)起伏如波浪一般。這種褶皺會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生并且最大起伏度可達(dá)到0.8nm，也有一種觀點(diǎn)認(rèn)為褶皺是由于襯底與石墨烯相互作用導(dǎo)致的，具體原因還在進(jìn)一步研究之中。

3.石墨烯的特性

石墨烯為復(fù)式六角晶格，每個(gè)元胞中有兩個(gè)碳原子，每個(gè)原子與最近鄰的三個(gè)原子間形成三個(gè)a鍵。由于每個(gè)碳原子有四個(gè)價(jià)電子，所以每個(gè)碳原子又會(huì)貢獻(xiàn)出一個(gè)剩余的P電子，它垂直于石墨烯平面，與周?chē)有纬晌闯涉I的耳電子。這些C電子在晶體中自由移動(dòng)賦予了石墨烯良好的導(dǎo)電性。從這個(gè)意義上說(shuō)，石墨烯是一種沒(méi)有能隙的材料，顯示金屬性。石墨烯在雙極性電場(chǎng)效應(yīng)中有突出的性質(zhì)，電荷載體可以在摻雜濃度n值高達(dá)10cm的條件下在電荷與空穴之間轉(zhuǎn)換，并且它們的遷移率在室溫下可以超過(guò)15000 cm/Vs。遷移率與溫度有關(guān)系，在300K條件下 仍被雜質(zhì)散射所限制，因此 應(yīng)該還能夠有顯著的提高，甚至高到約100000 cm/Vs。雖然有些半導(dǎo)體材料的室溫值可以達(dá)到77000cm/Vs，但這些值都取自體材料本征半導(dǎo)體。

4.石墨烯的應(yīng)用

4.1鋰離子電池中的應(yīng)用

石墨烯作為電池電極材料以提高電池效有著誘人的應(yīng)用前景。單層或者多層石墨烯在鋰離子電池里的應(yīng)用潛力引起了各國(guó)學(xué)者的極大關(guān)注?？蒲腥藛T對(duì)應(yīng)用于鋰離子二次電池負(fù)極材料中石器烯的性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其比容量可以達(dá)到540 mAh/g。如果在其中摻入C6o和碳納米管后，負(fù)極的比容量分別可達(dá)784mAh/g和730 mAh/g。Khan—tha等人通過(guò)理論計(jì)算討論了石墨烯的儲(chǔ)鋰機(jī)理。

4.2 計(jì)算機(jī)芯片材料中的應(yīng)用

馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家的研究表明，未來(lái)的計(jì)算機(jī)芯片材料中石墨烯可能取代硅。石墨烯具有遠(yuǎn)高于硅的載流子遷移率，并且從理論上說(shuō)，它的電子遷移率和空穴遷移率兩者相等.因此其n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管是對(duì)稱(chēng)的。因?yàn)槠溥€具有零禁帶特性，即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長(zhǎng)度也可為微米級(jí)，所以它是一種性能非常優(yōu)異的半導(dǎo)體材料。專(zhuān)家指出硅基芯片在室溫條件下的速度是有限的，很難再大幅提高；而電子穿過(guò)石墨烯幾乎沒(méi)有任何阻力，所產(chǎn)生的熱量也非常少，且石墨烯本身就是一個(gè)良好的導(dǎo)熱體，可以很快地散發(fā)熱量，由石墨烯制造的集成電路運(yùn)行的速度將要快得多。據(jù)估計(jì)用石墨烯器件制成的計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度可達(dá)到1T（105z）Hz，即比現(xiàn)在常見(jiàn)的1G（100）的計(jì)算機(jī)快1000倍.

4.3 減少納米元件噪聲領(lǐng)域的應(yīng)用

普通的納米元件隨著尺寸越來(lái)越小，電噪聲會(huì)變得越來(lái)越大，這種關(guān)系被稱(chēng)為“豪格規(guī)則”。因此，如何減小噪聲成為實(shí)現(xiàn)納米元件的關(guān)鍵問(wèn)題之一。美國(guó)ⅢM公司宣布，通過(guò)一層疊加在另一層上面的雙層石墨烯來(lái)構(gòu)建晶體管時(shí)，發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特有的噪聲。雖然這離其商品化生產(chǎn)還甚遙遠(yuǎn)，還有不少難題要克服，但降低噪聲是石墨烯晶體管研制過(guò)程中邁出的重要一步。

4.4 其他方面的應(yīng)用

石墨烯有著優(yōu)異的氫氣吸附特性，可應(yīng)用于儲(chǔ)氫材料領(lǐng)域。Dimitrakakis就利用石墨烯和碳納米管設(shè)計(jì)了一個(gè)三維儲(chǔ)氫模型，將這種材料摻入鋰離子，它在常壓下儲(chǔ)氫能力可達(dá)到41g/L。由于具有遠(yuǎn)比硅高的載流子遷移率，石墨烯在納電子器件方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，可能的應(yīng)用包括：電子管，進(jìn)一步減小器件開(kāi)關(guān)時(shí)間，2\"I-Iz超高頻率的操作響應(yīng)特性；探索單電子器件，可在同一片石墨烯上集成整個(gè)電路，避免了在一維材料基器件中難以實(shí)現(xiàn)的集成問(wèn)題。此外，由于具有單原子厚度、優(yōu)異的電學(xué)與力學(xué)特性以及豐富的邊界結(jié)構(gòu)等特征，石墨烯還是一種理想的場(chǎng)發(fā)射材料。

5.結(jié)語(yǔ)

隨著研究的不斷深入，石墨烯的優(yōu)異性能和潛在價(jià)值被逐步發(fā)掘出來(lái)，而其在復(fù)合材料、納米器件、儲(chǔ)氫材料，量子計(jì)算機(jī)以及超靈敏傳感器等領(lǐng)域也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。當(dāng)前石墨烯材料的研究還主要集中在基礎(chǔ)研究方面，如何大規(guī)模制備石墨烯并限制其生長(zhǎng)區(qū)域從而實(shí)現(xiàn)石墨烯的圖案化生長(zhǎng)將是未來(lái)的一個(gè)研究重點(diǎn)。