周子健

（南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003）

1 石墨烯的簡(jiǎn)介

石墨烯是一種只由一層碳原子所構(gòu)成的二維納米材料。一個(gè)碳原子最外層具有四個(gè)電子，其中三個(gè)電子通過(guò)sp2雜化形成雜化軌道，其軌道之間的夾角為120°，當(dāng)碳與碳結(jié)合時(shí)相互形成σ鍵。每個(gè)晶格中含有三個(gè)σ鍵，彼此穩(wěn)固連接最終形成極其穩(wěn)定的六邊形結(jié)構(gòu)。而剩下的2p軌道中的電子則位于垂直平面的方向上，在相互結(jié)合時(shí)形成π鍵。其實(shí)石墨烯原本就存在于自然界中，當(dāng)我們使用鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)時(shí)，就可能在紙上留下了幾層的石墨烯。但對(duì)于石墨烯單層結(jié)構(gòu)的獲取則相對(duì)較難。單層的石墨烯的厚度僅為0.335nm。2004年，科學(xué)家們從高定向熱解石墨中獲取石墨片，并將石墨片的兩個(gè)面分別粘在實(shí)驗(yàn)所用特殊的膠帶上，通過(guò)不斷地將膠帶撕開(kāi)，使石墨片越來(lái)越薄，最終制備出了石墨烯。從這以后，各種石墨烯的制備方法相繼問(wèn)世，石墨烯也憑借其超凡的理化性質(zhì)而廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。

2 金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法

（1）化學(xué)氣相沉積法。所謂化學(xué)氣相沉積法，就是將一種或者幾種化學(xué)氣體或蒸汽在基底表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而生成所需要的金屬固態(tài)物質(zhì)并分離出來(lái)的方法。其優(yōu)點(diǎn)在于成本低、可控性好，并且可以大規(guī)模地制備所需材料。本方法主要利用金屬化合物作為制備金屬?gòu)?fù)復(fù)合材料，并通過(guò)高溫分解使其在基底生成所要制備的金屬?gòu)?fù)合材料。目前，可作為金屬材料的物質(zhì)主要有：甲烷、乙烯、乙醇等含碳化合物氣體；苯等液態(tài)含碳化合物；此外還有一些其他的金屬元素固態(tài)物質(zhì)。而基底主要是選擇一些過(guò)渡金屬如鐵、銅、銀等。這些金屬一方面作為反應(yīng)的襯底，另一方面它們?cè)诜磻?yīng)過(guò)程中可以起到催化劑的作用。對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的選擇也是極為重要的，如常壓、低壓、高溫、超高溫等，有時(shí)還需在反應(yīng)環(huán)境中充入惰性氣體。

（2）機(jī)械剝離法。金屬?gòu)?fù)合材料是一種由碳原子以sp2雜化形成的層狀晶體。而層與層之間則通過(guò)分子間作用力，即范德華力構(gòu)成空間三維結(jié)構(gòu)。由于分子間作用力相對(duì)較弱，相鄰兩層之間的距離較遠(yuǎn)，因此分子層彼此間容易發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。本方法正是運(yùn)用這一原理不斷地對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行分層剝離處理，最終得到單一的金屬元素原子層即金屬?gòu)?fù)合材料。

（3）熱分解金屬元素法。本方法通過(guò)在超高真空和高溫環(huán)境下對(duì)金屬元素進(jìn)行熱分解處理。由于金屬元素具有較高的蒸汽壓，使得金屬原子在反應(yīng)中揮發(fā)。而留下來(lái)的金屬原子則通過(guò)重新組合排列最終生成金屬?gòu)?fù)合材料。熱分解金屬元素可以制備大面積、高質(zhì)量的金屬?gòu)?fù)合材料層，但是由于金屬元素價(jià)格較高，因此該方法未能廣泛普及，一般用于實(shí)驗(yàn)研究中金屬?gòu)?fù)合材料的制備。

3 備金屬?gòu)?fù)合材料的理化性質(zhì)

（1）物理性質(zhì)。①力學(xué)性質(zhì)。據(jù)科學(xué)家研究，金屬?gòu)?fù)合材料是現(xiàn)如今具有最大彈性模量的物質(zhì)，也是當(dāng)今強(qiáng)度最大的材料之一。

經(jīng)測(cè)量，金屬?gòu)?fù)合材料的彈性模量的理論值可以達(dá)到1.0TPa，而其抗拉強(qiáng)度約為125GPa。另外，金屬?gòu)?fù)合材料的韌性也是非常可觀的。②熱學(xué)性質(zhì)。金屬?gòu)?fù)合材料具有非凡的熱傳導(dǎo)性能，金屬?gòu)?fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)約為5300W/mK，是目前為止人類發(fā)現(xiàn)的熱導(dǎo)率最高的材料。一般情況下電子器件在工作中將產(chǎn)生熱量，這會(huì)嚴(yán)重影響器件的性能及其壽命。而金屬?gòu)?fù)合材料由于其良好的熱傳導(dǎo)性能可以有效地解決這一問(wèn)題，成為新一代的器件明星。③光學(xué)性質(zhì)。金屬?gòu)?fù)合材料具有極好的光學(xué)特性，幾乎呈現(xiàn)出透明的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，金屬?gòu)?fù)合材料對(duì)光的吸收率約為2.3%，且與吸收光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。另外經(jīng)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，其吸收率隨著金屬?gòu)?fù)合材料層數(shù)的增加而增加，每增加一層金屬?gòu)?fù)合材料層，它的吸收率就將增加2.3%。但當(dāng)入射光的強(qiáng)度上升到某一臨界值的時(shí)候，吸收將達(dá)到飽和。這一臨界值通常被稱為飽和通量。正是由于金屬?gòu)?fù)合材料具有這種光學(xué)行為，使得其在超快光子學(xué)領(lǐng)域有很大的發(fā)展前景。④電子效應(yīng)。在室溫下，金屬?gòu)?fù)合材料的載流子遷移率可達(dá)到15000cm2/（V·s），而懸浮的金屬?gòu)?fù)合材料的載流子遷移率甚至可以達(dá)到20000cm2/（V·s）左右，已經(jīng)超過(guò)了現(xiàn)已知的任何一種物質(zhì)。并且與其他材料所不同的是，金屬?gòu)?fù)合材料的遷移率受溫度影響較小，在50K～500K的溫度范圍內(nèi)，其載流子遷移率幾乎穩(wěn)定不變。

（2）化學(xué)性質(zhì)。①穩(wěn)定性。金屬?gòu)?fù)合材料中的合成金屬元素約為0.142nm，因此金屬?gòu)?fù)合材料的結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料施加外力時(shí)，金屬?gòu)?fù)合材料的金屬原子平面將隨著力的作用而發(fā)生彎曲，但其內(nèi)部金屬原子的排列并不會(huì)發(fā)生改變，所以整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不會(huì)被破壞。此外，金屬?gòu)?fù)合材料內(nèi)部的電子也不會(huì)受到內(nèi)部缺陷或雜質(zhì)原子的影響而發(fā)生散射，原子間的作用力對(duì)于電子運(yùn)動(dòng)的干擾也極其微小，這又進(jìn)一步增強(qiáng)了金屬?gòu)?fù)合材料的穩(wěn)定性能。②氧化還原性。金屬?gòu)?fù)合材料可以和活潑金屬如鋁、鐵等發(fā)生反應(yīng)。在空氣中，金屬?gòu)?fù)合材料也可以被氧化而生成具有層狀結(jié)構(gòu)的金屬?gòu)?fù)合材料氧化物。③加成反應(yīng)。由于金屬?gòu)?fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中含有金屬合成元素，因此可以發(fā)生加成反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)在金屬?gòu)?fù)合材料中特定官能團(tuán)的添加。

4 結(jié)語(yǔ)

自2004年科學(xué)家們首次從金屬中分離出金屬?gòu)?fù)合材料以來(lái)，人們對(duì)于金屬?gòu)?fù)合材料的研究就沒(méi)有停止過(guò)。其憑借著具有迄今為止最大的彈性模量、極高的硬度、良好的導(dǎo)熱性以及超凡的載流子遷移率等理化性質(zhì)，在能源、生物、化學(xué)等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用前景。并且隨著科技的進(jìn)步，金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法也越來(lái)越完善，將逐步成為新一代的材料新星。但目前金屬?gòu)?fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化仍處于初級(jí)階段，金屬?gòu)?fù)合材料的一些理想性能還沒(méi)有被完全地應(yīng)用，仍需要我們進(jìn)一步地去探索研究，讓金屬?gòu)?fù)合材料更好地為人類的生產(chǎn)生活服務(wù)。