劉碩 廖慶亮 丁一 張躍

一、石墨烯簡介

從1985年富勒烯和1991年碳納米管的發(fā)現(xiàn)開始，碳基材料成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。已知的由碳元素構(gòu)成的同素異形體包括三維的金剛石和石墨、一維的碳納米管以及零維的富勒烯，但其二維結(jié)構(gòu)的同素異形體的研究卻一直處于理論探索階段。在石墨烯被發(fā)現(xiàn)以前，理論和實(shí)驗上都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對零度穩(wěn)定存在。準(zhǔn)二維晶體材料由于其本身的熱力學(xué)不穩(wěn)定性，在室溫下會迅速分解或拆解，長程有序結(jié)構(gòu)在無限的二維體系中無法維持。然而石墨烯卻能在實(shí)驗中被制備出來，而且還能穩(wěn)定存在，這一現(xiàn)象被解釋為：由三維結(jié)構(gòu)中剝離出來的二維石墨烯結(jié)構(gòu)，由于表面的輕微皺褶而變得自發(fā)穩(wěn)定起來，這種三維方向上的變形彎曲導(dǎo)致彈性能增加的同時抑制了熱振動，當(dāng)高于某一的溫度時，可以使總自由能降到最低水平，從而實(shí)現(xiàn)了二維石墨烯晶體的穩(wěn)定存在。

石墨烯可以被描述為是由單層碳原子緊密堆積而形成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料。石墨烯的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它具有理想的二維晶體結(jié)構(gòu)，碳原子以六元環(huán)形式周期性排列于石墨烯平面內(nèi)，可以被看作是一層被剝離的石墨片層，單層石墨烯材料的厚度僅為0.335nm，相鄰2個碳原子之間距離為0.14nm。石墨烯具有六角平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，六角平面內(nèi)3個sp2雜化軌道互成120°角排列，與相鄰碳原子形成共價鍵。由于石墨烯的這種結(jié)構(gòu)，所以可以通過卷曲或堆垛來構(gòu)建其他維數(shù)的碳質(zhì)材料。現(xiàn)在認(rèn)為，10層以內(nèi)由單層石墨片層組成的結(jié)構(gòu)可以定義為石墨烯，而大于10層的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該被稱為石墨薄膜。由此，石墨烯被分類為單層（monolayer）、雙層（bilayer）和多層（multilayer）石墨烯。近年來，研究者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)各種石墨烯結(jié)構(gòu)的可控制備。

二、石墨烯的制備方法

石墨烯的制備方法主要有：微機(jī)械剝離法、取向附生法、熱解碳化硅法、氧化石墨烯還原法和化學(xué)氣相沉積法。

1.微機(jī)械剝離法

微機(jī)械剝離法（Miromechanical Cleavage）是通過機(jī)械力的作用，從新鮮石墨晶體的表面剝離出石墨烯片層結(jié)構(gòu)的方法。Novoselov等就是運(yùn)用這一簡單而有效的方法，首次制備出單層石墨烯。運(yùn)用微機(jī)械剝離的方法，目前可以獲得的石墨烯尺度可以達(dá)到100μm左右。圖2是Novoselov等利用這一方法成功制備出的單層石墨烯。

除了Novoselov等運(yùn)用的方法外，其他的研究者也運(yùn)用微機(jī)械剝離的手段，成功的將單層石墨烯片層從體相石墨中分離出來。利用微機(jī)械剝離法制備石墨烯，可以得到高質(zhì)量的單層、寡層和多層石墨烯。但是，這種方法是從摩擦石墨表面獲得的大量薄片中來篩選出石墨烯，獲得的石墨烯樣品的尺寸不易控制，無法大量生產(chǎn)。

2.取向附生法

取向附生法（Epitaxial Growth）也稱晶膜生長法，是利用生長基質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯的一種方法。通過使用稀有金屬釕作為生長基底成功得到了石墨烯。利用這種方法獲得的單層石墨烯的性能表現(xiàn)是令人滿意的。但是，取向附生法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會影響石墨烯的物理特性。

3.熱解碳化硅法

熱解SiC法（Epitaxial Graphene Growth on SiC）是通過加熱單晶6H-SiC脫除Si，在單晶（0001）面上分解出石墨烯片層的方法。經(jīng)過幾年的探索，Berger等人[1]運(yùn)用熱解SiC法已經(jīng)能夠可控地制備出單層或是多層石墨烯。此外，在Berger小組的研究基礎(chǔ)上，韓國的Seo等人[2]和美國的Sharman等人[3]也分別就熱解SiC生長石墨烯的表面預(yù)處理對產(chǎn)物的影響和不同條件下生產(chǎn)的產(chǎn)物的性能進(jìn)行了深入的研究。由于這種方法制得的石墨烯材料厚度可控因此極具應(yīng)用潛力，但這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，制備出大面積的具有單一厚度的均勻的單層石墨烯片層仍然比較困難。另外，石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會使石墨烯表面的電子性質(zhì)受到SiC襯底的影響。

4.氧化石墨烯還原法

氧化石墨烯還原法主要包括Hummers法，Brodie法和Staudenmaier法3種方法，一般是通過最常用的Hummers法來制備石墨烯。氧化石墨還原法首先必須得到氧化石墨。以石墨粉為原料，將天然石墨與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化物反應(yīng)生成氧化石墨，經(jīng)過超聲分散可以制備出單層的氧化石墨片層（氧化石墨烯）。由于還原-氧化石墨烯的導(dǎo)電性較差，因此還需要進(jìn)行退火處理使其恢復(fù)導(dǎo)電性。所以氧化石墨烯是石墨烯的一種衍生物，它作為石墨烯生產(chǎn)過程中的一種中間產(chǎn)物，具有更好的親水性和生物相容性，在納米生物傳感器方面具有廣泛、獨(dú)特的應(yīng)用價值。

5.化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition，CVD）制備石墨烯，是以銅（Cu）、鎳（Ni）等金屬為襯底，利用化學(xué)方法使甲烷（CH4）、乙炔（C2H2）等碳源氣體在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成石墨烯片層的方法。在適當(dāng)?shù)臏囟?、氣體流量下，可以獲得單層或多層的石墨烯。生成的石墨烯可以用聚合物輔助轉(zhuǎn)移的方法從金屬基底上轉(zhuǎn)移到任意基底如絕緣硅片、石英、柔性基底上。目前化學(xué)氣相沉積是合成石墨烯中采用最廣泛、發(fā)展最迅速、成果最顯著的方法，從制備到轉(zhuǎn)移的各個環(huán)節(jié)都已經(jīng)被深入研究。

化學(xué)氣相沉積合成石墨烯最早采用的金屬基底是Ni，Kim研究小組最早在這種方法上取得了突破性的進(jìn)展，其合成石墨烯的具體方法是將加熱至1 000℃的鎳置于含碳的氣體中，如CH4，這樣碳原子會在鎳的表面分解生成，而且會往金屬內(nèi)部擴(kuò)散，在隨后的冷卻過程中，碳會從金屬中析出并沉積于Ni表面上形成石墨烯。

由于以Ni為基底合成石墨烯的過程中，C原子經(jīng)歷了一個滲入和析出的過程，而這個過程具有很大的隨意性，使得石墨烯各個部位的層數(shù)不可控，

造成樣品整體不均勻。于是Li等人提出在Cu基底上制備石墨烯，利用碳（C）在Cu中溶解度極低的特點(diǎn)來合成高質(zhì)量、大面積、層數(shù)均一的石墨烯，圖3是他們制備出的石墨烯樣品的光學(xué)圖像，可以看出在他們的樣品中，單層部分占據(jù)了整個石墨烯樣品中很大的一部分，他們把這一現(xiàn)象歸結(jié)為石墨烯生長中的自約束現(xiàn)象（self-limiting）：由于沒有C的滲入-析出的過程，石墨烯的生長完全是由在Cu表面分解的C原子組成，當(dāng)?shù)?層石墨烯形成后，遮蓋住了Cu的表面，Cu的催化作用被抑制，CH4分解停止，故最終生成的樣品幾乎全部是單層石墨烯。

在Li提出這一方法之后，在Cu基底上生長石墨烯的方法引起了研究者極大的興趣，各種生長條件和生長參數(shù)被不斷優(yōu)化，在這個方面，麻省理工學(xué)院的SreekarBhaviripudi等人進(jìn)行了深入的研究[4]。他們詳細(xì)分析了石墨烯生長的過程，建立了動力學(xué)的模型，比較了常壓和低壓2種條件下生長石墨烯的不同點(diǎn)，解釋了常壓下石墨烯生長的非自約束現(xiàn)象，并在他們自己的理論模型指導(dǎo)下，在常壓下合成了高質(zhì)量的單層石墨烯。目前Cu基底上生長出的石墨烯最大的晶粒尺寸可以達(dá)到500μm。

除去采用最多的Cu和Ni之外，其它的金屬基底也在被不斷嘗試，釕（Ru），鉑（Pt），鈀（Pd），鐵（Fe）等等都被用于石墨烯的合成，另外在其他基底如硅片、玻璃上利用濺射或者蒸鍍的方法沉積一層金屬薄層作為催化劑，以此來同時完成合成和轉(zhuǎn)移過程的方法也被采用。目前化學(xué)氣相沉積法合成石墨烯效果最好的基底是Pt，中國科學(xué)院沈陽金屬所的Cheng Huiming研究組報道稱他們在Pt上合成了迄今為止單個晶粒尺寸最大的單層石墨烯。

三、石墨烯的轉(zhuǎn)移方法

除去合成制備，轉(zhuǎn)移技術(shù)也是化學(xué)氣相沉積合成石墨烯中的重要一環(huán)，目前采用最廣泛的轉(zhuǎn)移技術(shù)是用聚合物粘附石墨烯，溶液溶解金屬基底的方式，這一方法具有簡單易操作，對樣品損傷小，可以轉(zhuǎn)移到任意目標(biāo)基底上等優(yōu)點(diǎn)。北京大學(xué)的Liu Zhongfan研究組[6]對石墨烯的轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行了詳盡的研究，他們提出了了一整套包括聚合物旋涂、金屬溶解、樣品清洗在內(nèi)的轉(zhuǎn)移方法，得到了高質(zhì)量的石墨烯樣品，他們整個轉(zhuǎn)移過程以及最后得到的石墨烯樣品，之間加入的兩步化學(xué)洗滌和一步150℃下烘烤的過程是提高轉(zhuǎn)移后石墨烯樣品質(zhì)量的關(guān)鍵。

由于化學(xué)轉(zhuǎn)移過程中不可避免的會引入雜質(zhì)，如溶液中的離子、聚合物殘留等，影響石墨烯的質(zhì)量，另外由于過程中包括金屬基底的溶解，造成了材料的浪費(fèi)，同時這種方法并不適用于難溶的金屬基底，將生長有石墨烯的金屬基底連接在電池負(fù)極上，由于電解作用，在金屬基底和石墨烯之間會有氫氣的氣泡產(chǎn)生，從而達(dá)到分離石墨烯的效果，這一方法高效、清潔，同時具有更廣闊的應(yīng)用范圍，是未來石墨烯轉(zhuǎn)移技術(shù)的一個發(fā)展方向。

還有一種roll-to-roll方法被認(rèn)為是轉(zhuǎn)移大面積石墨烯的最優(yōu)方法，臺灣清華大學(xué)的Juang等人在研究中首次成功利用roll-to-roll方法將厘米級尺寸的石墨烯轉(zhuǎn)移到柔性透明基底上。隨著研究的深入，化學(xué)氣相沉積越來越被人們認(rèn)為是未來石墨烯制備發(fā)展的方向，利用這種方法可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的可控制備，并且得到純度高、結(jié)晶性好的石墨烯，是構(gòu)建石墨烯納米器件的重要基礎(chǔ)。

四、石墨烯的摻雜及復(fù)合材料

很多科學(xué)家預(yù)測，石墨烯最早的應(yīng)用可能會在復(fù)合材料領(lǐng)域。石墨烯的復(fù)合材料可以分為大規(guī)模的復(fù)合和摻雜2種，前者主要用于超級電容器、生物傳感、場發(fā)射等領(lǐng)域，而后者主要為了調(diào)控石墨烯納米器件的性能。

石墨烯與其他物質(zhì)的大規(guī)模復(fù)合主要采用化學(xué)方法，原料大多使用氧化石墨烯，因為氧化石墨烯表面豐富的化學(xué)鍵使其更容易與其他物質(zhì)相結(jié)合。采用一步還原法制備了graphne-Pt的混合物，用于生物傳感，與傳統(tǒng)的利用還原氧化石墨烯作為原料不同，他們使用氧化石墨烯作為原料直接與含有PtCl2-6離子的溶液相混合，利用電化學(xué)還原的方法同時還原氧化石墨烯和Pt+，最終形成graphne-Pt的混合物，由于氧化石墨烯更多的懸掛鍵，使得用一步合成的方法制得的改性石墨烯表面具有更多的金屬離子復(fù)合，實(shí)驗測試表明這種產(chǎn)物在生物傳感方面具有更靈敏的響應(yīng)。

石墨烯的摻雜調(diào)控主要分為2種，一種是層間摻雜，一種是層內(nèi)摻雜，由于石墨烯中碳原子之間的距離很小，層間的摻雜很難實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在的研究主要集中在小原子對石墨烯的摻雜上，如氮（N）、硼（B）等。用N+對石墨烯表面進(jìn)行轟擊，石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生許多缺陷，之后將處理后的石墨烯放置在NH3氣氛中，俄歇電子譜表明石墨烯中摻入了N原子，他們隨后對樣品進(jìn)行了拉曼光譜的表征和電輸運(yùn)性能的測試，發(fā)現(xiàn)石墨烯樣品表現(xiàn)出n型特點(diǎn)。石墨烯的層間摻雜主要采用金屬納米顆粒如金（Au）、Cu、Pt等，納米顆粒的形成利用金屬離子在石墨烯表面自主還原，加入還原劑或者電化學(xué)還原的方法。分別用BVO和Au3+對石墨烯進(jìn)行了摻雜調(diào)控，他們發(fā)現(xiàn)由于BVO易失去電子，故其與石墨烯混合時，會有電子從BVO轉(zhuǎn)移到石墨烯上，對石墨烯形成n型摻雜，進(jìn)而改變了石墨烯的功函數(shù)，相反Au3+對石墨烯則形成p型摻雜。他們用摻雜后的石墨烯作為氧化鋅陣列納米發(fā)電機(jī)的電極材料，研究了不同的摻雜對發(fā)電機(jī)輸出電壓的影響。

除去大規(guī)模復(fù)合和摻雜以外，石墨烯與其他材料的結(jié)合也是十分重要的研究領(lǐng)域，如石墨烯與金屬、石墨烯與半導(dǎo)體的結(jié)合同樣對石墨烯的性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響，Heejun Yang等[7]報道了一種新型的石墨烯電子器件：graphenebarrior，它是由石墨烯與Si結(jié)合形成的，利用外電場調(diào)控石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)而改變石墨烯與Si之間形成的肖特基勢壘的高度，電流信號隨之發(fā)生變化，他們用這種電子器件實(shí)現(xiàn)了邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲等功能，證明這種新的石墨烯電子器件的構(gòu)成方式有很大的應(yīng)用價值。

隨著石墨烯的應(yīng)用越來越廣泛，對它的復(fù)合和摻雜調(diào)控必然會成為重要的研究領(lǐng)域，相信隨著研究的深入，滿足不同要求的石墨烯復(fù)合產(chǎn)物會不斷涌現(xiàn)。

五、石墨烯的表征方法

石墨烯的表征方法主要包括X射線法（XRD）、X-射線光電子能譜（XPS）、光譜法、掃描隧道顯微鏡（STM）/原子力顯微鏡（AFM）、透射電子顯微鏡（TEM）/高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）/超高真空電鏡 （UHVEM）、拉曼光譜法（Raman spectra）電子顯微鏡（FE-SEM）以及能量色散X射線光譜（EDS）等分析方法。

由于石墨烯的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，其在表征方面與傳統(tǒng)的碳納米管、氧化鋅（ZnO）等一維納米材料有所不同。拉曼散射光譜法是一種十分適合石墨烯表征的手段，目前關(guān)于石墨烯的拉曼光譜的研究較為普遍，拉曼光譜被認(rèn)為對石墨烯的結(jié)構(gòu)表征研究具有十分重要的意義。通過拉曼光譜給出的信息，可以得到石墨烯的層數(shù)、摻雜元素影響和結(jié)構(gòu)等信息。圖4為石墨烯的拉曼散射光譜，其中，1 350峰附近的峰稱為D帶，歸因于缺陷震動聲子散射；1 580/cm附近的峰稱為G帶，歸因于雙簡并區(qū)域中心Eg2模型振動；2 700/cm附近的峰稱為2D帶，歸因于區(qū)域邊界聲子第二項振動。

特征峰的峰位偏移、半高寬以及相對強(qiáng)度等數(shù)據(jù)可以反映石墨烯的層數(shù)、缺陷、載流子濃度等信息。例如，可以通過D帶與G帶的強(qiáng)度比值來判斷石墨烯樣品結(jié)構(gòu)的完整性，這一比值越大代表樣品中的缺陷越多。通過G帶與2D帶的相對強(qiáng)度比和2D帶的半高寬可以判斷石墨烯樣品的層數(shù)，2D帶的半高寬越小，G帶與2D帶的強(qiáng)度比越小，樣品越趨向于單層，一般認(rèn)為，2D帶半高寬小于27/cm，G帶與2D帶強(qiáng)度比小于0.5，即認(rèn)為所得到的的樣品為單層石墨烯。當(dāng)樣品中的載流子濃度增大時，聲子與載流子之間的能量交換被抑制，相應(yīng)的，聲子的壽命就會增長，反映在拉曼光譜上就是G帶的半高寬的減小。所以通過G帶的半高寬可以得到石墨烯樣品中的載流子濃度，進(jìn)而得到樣品的摻雜濃度、導(dǎo)電性等信息。

除去拉曼光譜，光學(xué)圖像、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等也是石墨烯表征的重要手段。光學(xué)圖像可以直觀的觀察所得石墨烯樣品的結(jié)構(gòu)特征，觀測范圍可以達(dá)到厘米級，光學(xué)圖像的獲得需要將石墨烯樣品放置在絕緣硅片襯底上，利用從硅片表面和氧化層表面反射回的光線的干涉產(chǎn)生的襯度變化來觀察石墨烯，光學(xué)圖像被廣泛應(yīng)用在石墨烯的表征和可視的器件構(gòu)筑等方面。掃描電子顯微鏡可以獲得石墨烯樣品的微觀形貌信息，諸如化學(xué)氣相沉積法生長的石墨烯樣品的晶粒尺寸等。原子力顯微鏡主要用于石墨烯樣品的層數(shù)確定，通過測試所得樣品的厚度來判斷其層數(shù)。

六、石墨烯納米材料的性能

在很大程度上，材料的物理性能是其維度結(jié)構(gòu)的結(jié)果展示。由單層碳原子組成的石墨烯，是嚴(yán)格的二維晶體材料。由于石墨烯簡單而靈活的結(jié)構(gòu)，決定了它在電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和熱力學(xué)方面具有獨(dú)特的性能，使得其在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

1.石墨烯的電學(xué)性能

石墨烯的電學(xué)性質(zhì)與大多傳統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)的材料有巨大的區(qū)別，它是一種半金屬、零帶隙半導(dǎo)體材料。

這種線性分布的能帶使得其電子的運(yùn)動速度達(dá)到了光速的1/3 000，為8×105m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動速度，同時石墨烯晶格具有非常高的聲子振動頻率，使得在石墨烯中運(yùn)動的電子很難受到晶格的散射，增大了載流子運(yùn)動的平均自由距離，這2方面的原因使得石墨烯中的載流子遷移率非常高，從傳導(dǎo)實(shí)驗得出的測量結(jié)果顯示石墨烯的載流子遷移率可以達(dá)到約15 000cm2/（V·cm）（遠(yuǎn)高于電子在硅中傳導(dǎo)的速度），石墨烯內(nèi)中電子與聲子的強(qiáng)烈作用的時候預(yù)示著超導(dǎo)現(xiàn)象的存在。另外，雙層石墨烯的能隙可以通過外加電場來調(diào)節(jié)，在組建的雙層石墨烯器件上加上一個外加電場（利用雙通裝置加載垂直于石墨烯片層的電場）其能隙將隨著外加電場的改變發(fā)生變化，從而控制晶體管器件的開關(guān)及電流強(qiáng)度。此外，有研究表明將石墨烯切割成100nm寬的石墨烯帶時，同樣可以在石墨烯的能帶中引入帶隙。

目前，很多著名的公司，如intel、IBM、三星等，相繼投入巨資開展石墨烯基納電子器件方面的應(yīng)用探索，并取得了良好的進(jìn)展。2011年4月，IBM公司開發(fā)出了以石墨烯為基的截至頻率為155GHz的晶體管，圖5即為他們制作出的高速石墨烯晶體管。

2.石墨烯的機(jī)械性能

石墨烯中各碳原子之間的連接非常緊密柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時，碳原子面就會彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，這樣也就保持了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。雖然石墨烯只有一個原子的厚度，但是它卻非常堅硬，比鉆石還堅硬，堪稱是人類已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)。

石墨烯只有一層碳原子組成，這就使得石墨烯成為目前唯一的一種全開放的材料，即沒有內(nèi)部，只有表面，這就表明它的比表面積會非常大。事實(shí)上，石墨烯的比表面積達(dá)到了2 600m2/g，這使得石墨烯的表面極易吸附小的顆粒，比如生物小分子、帶電粒子等，再結(jié)合它具有的優(yōu)異的電荷傳輸能力，石墨烯在生物傳感、儲氫材料、鋰離子電池、超級電容器方面被廣泛采用。

近年來，石墨烯及其衍生物在生物元器件、微生物檢測、疾病診斷和藥物輸運(yùn)等方向的應(yīng)用獲得了科學(xué)家的廣泛關(guān)注，使其成為納米生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)?？梢杂糜谳d藥、生物傳感檢測和治療之中；Liu等人[8]構(gòu)建了一種以氧化石墨烯的羧基基團(tuán)和葡萄糖氧化酶胺共價形成新穎、高效率的酶電極。以這種酶電極為基礎(chǔ)構(gòu)建的生物傳感器對于葡萄糖進(jìn)行檢測，其線性寬度可達(dá)28mM/mm2，靈敏度為8.045mA/cm2；Mohanty和Berry[9]共同研究了以石墨烯為基礎(chǔ)的細(xì)菌分辨生物器件和DNA晶體管，DNA單鏈栓在互補(bǔ)DNA-石墨烯符合材料上，其空穴密度實(shí)現(xiàn)了可逆增長，達(dá)到5.61×1 012/cm2。

3.石墨烯的光學(xué)和熱學(xué)性能

石墨烯的光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)也十分特殊，它是一種“透明”的導(dǎo)體，透過率與入射光波長無關(guān)，由于單層石墨烯的光吸收只有2.3%，又因為其良好的柔韌性和延展性，所以它被認(rèn)為可以作為氧化銦錫ITO的替代材料用于柔性透明電極領(lǐng)域，Jong-Hyun Ahn等[10]利用化學(xué)氣相沉積法合成了尺寸達(dá)到30英寸的單層石墨烯，利用滾輪轉(zhuǎn)移的方法制成了石墨烯的觸摸面板，他們發(fā)現(xiàn)利用石墨烯作為透明電極制得的觸摸屏的柔韌性顯著提高，在形變達(dá)到6%時，觸摸屏依然正常工作，而用ITO作為透明電極的觸摸屏的這一數(shù)值只能達(dá)到2%～3%，這歸因于石墨烯更加優(yōu)異的柔韌性。石墨烯的柔性電極還被廣泛用于太陽能電池和光探測器件的探測窗口或上電極，利用其良好的透光性和導(dǎo)電性，可以顯著提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率和光探測器件的響應(yīng)速度。

另外石墨烯的光吸收率也十分可觀，雖然只有一層碳原子，但石墨烯依然可以吸收大約2.3%的可見光，是同等厚度GaAs的50倍。石墨烯的零帶隙特點(diǎn)使得它在很寬的光譜范圍內(nèi)都有很好的光學(xué)響應(yīng)，石墨烯的光吸收可以通過外加電場調(diào)節(jié)，使得它可以被用于光調(diào)制領(lǐng)域。Feng Wang等系統(tǒng)研究了石墨烯的光吸收與其載流子濃度的關(guān)系，他們發(fā)現(xiàn)改變石墨烯中的載流子濃度可以改變石墨烯的光吸收，增加石墨烯中的載流子濃度，其光吸收會減小，他們把這一現(xiàn)象歸結(jié)于載流子濃度升高后，泡利不相容原理引起的對電子躍遷的限制作用。在熱學(xué)方面，石墨烯同樣表現(xiàn)出眾，它的導(dǎo)熱能力很強(qiáng)，熱導(dǎo)系數(shù)可以達(dá)到（4.84±0.44）×103～（5.30±0.48）×103W/（m·K）。另外，由于石墨烯的聲子能量很高，造成光生載流子無法與晶格自由交換能量，從而產(chǎn)生獨(dú)特的室溫?zé)彷d流子效應(yīng)，這一效應(yīng)使得石墨烯具有相對很高的塞貝克系數(shù)，達(dá)到了12μV/k，使得它在熱電領(lǐng)域潛力巨大。

七、結(jié)語

綜上所述可以看到石墨烯在許多領(lǐng)域都有所應(yīng)用，其中光探測器件是現(xiàn)在科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其獨(dú)特的光學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì)在改善傳統(tǒng)光電器件的性能，發(fā)展新型光電器件方面具有很高的研究價值，值得深入探索。

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