石墨烯性能浅析及应用前景展望

辛蕾

（西安交通大学电气工程学院，陕西西安，710000）

石墨烯性能浅析及应用前景展望

辛蕾

（西安交通大学电气工程学院，陕西西安，710000）

作为新型二维平面结构的纳米材料，石墨烯表现出不同方面的优良性能。石墨烯特殊结构及性能等成为近年研究的热点。文章综述了石墨烯不同方面的性能优势，分析了其目前的应用领域，并对今后的发展前景作出了预测。

石墨烯；电学性能；应用趋势

引言

石墨烯是2004年发现的单原子层石墨晶体薄膜。由于在集成电路生产领域，一般认为当材料结构小于8纳米时，其性能就不能再保持稳定，集成电路纳米级产品的生产也已经达到极限，因此这一发现意义重大。

十多年来，在石墨烯生产技术创新研究过程中，发现其不仅可以被生产，而且具有稳定、坚固、电学性能优良等品质，应用领域较广，市场前景被看好。

1 结构特征

石墨烯（Graphene）是由一种仅由碳原子通过共价键结合而成的二维晶体，只有一层原子厚度，具有稳定的蜂巢状结构。理想的石墨烯材料，每一层基本结构单元都由6个碳原子构成，通过共价键紧密地结合在一起，形成一个平面六边形点阵［1］。每个碳原子与3个相邻的碳原子之间形成牢固的σ键，另外一个P电子与周围原子在垂直于石墨烯平面的方向上形成大π键。

许多科学家都尝试各种方法，希望将石墨烯按层剥离。但由于单层的石墨烯只有一个原子的厚度，科学家们的尝试均以失败告终。直到物理学家采用“微机械法”剥离石墨，获得了大约包含了100层石墨烯的石墨薄片［2］。随后，安德烈·K·海姆和科斯塔亚两位科学家采用“胶带撕拉法”首次获得二维石墨烯片，并证实其在外界环境中可稳定存在，由此吸引了众多科学家的目光。石墨与石墨烯的结构差异见图1。

图1　石墨和石墨烯的结构差异示意图

2 性能优势

作为材料界的新秀，二维纳米碳材料石墨烯表现出诸多非凡性能。例如超薄、比表面积大、导电性优良、本征迁移率高和热传导率优异［3］。石墨烯导热系数极高，且电阻率极小。其结构致密稳定，具备良好的力学性能。

2.1机械强度

石墨烯的机械强度的与石墨烯的厚度相关，但也受边缘效应和表面缺陷较大影响。目前研究人员已经证明，单层石墨烯的机械强度可以达到钢铁材料的200倍。而且，目前通过掺杂，能够改变石墨烯材料的化学活性，例如通过掺杂修饰提高其光学性能。但与之矛盾的是，石墨烯的力学刚度和强度却是随着掺杂程度增加而下降的，因此，仍有待研究如何既保留高力学强度，又同时获得高化学活性的石墨烯。

2.2光学性能

石墨烯几乎完全透明，单层石墨烯的透光度能够达到97.7%，试验发现多层石墨烯的透光效果随着层数的增加，反而会逐渐下降。

作为半金属材料，石墨烯的价带与导带交于狄拉克点。可用相对论性的狄拉克方程描述该点附近的电子运动。基于线性的色散关系，在本征石墨烯中，入射光频率不同，但由激发带间跃迁产生的光生载流子概率却相同，因此光电导率固定。化学掺杂的方式能够对石墨烯的费米能级进行动态调节，并由此调节其光学性质。

2.3电学性能

得益于规整的结构和紧密的排列，石墨烯电子传输性能优良。石墨烯具有很高的载流子迁移速率，室温下已经能够达到15 000 cm2·V-1·s-1。实验证明石墨烯的电学性能根据其层数不同而存在明显差异。且在空气、潮湿气体环境下，石墨烯的电学性能退化严重，且载流子迁移率减小。

3 应用领域探究

由于石墨烯具有优良的电性能及良好的透光性，在新能源领域有着巨大发展潜力。

3.1太阳能电池

透明导电电极是太阳能电池的关键部位，目前的太阳能电池普遍采用氧化铟锡 （ITO）作为透明电极。但是ITO中的金属离子容易自发扩散，而铟元素是一种稀有资源，不适用于未来太阳能电池的大规模生产［4］，这些都限制了ITO作为透明电极的发展。石墨烯则凭借其优良的电性能及良好的透光性，成为较好的替代材料。石墨烯一般需制成薄膜材料来。Chen等［5］发展了可溶液加工的功能化石墨烯，并将其作为透明电极应用到太阳能电池中。功能化石墨烯薄膜透光率很高，有利于太阳能电池光电转换效率的提高。将石墨烯作为透光导电极材料，研究人员需要继续改进石墨烯薄膜的制备方法，从而令石墨烯薄膜的透光学、电学性能得到显著提高。

石墨烯在太阳能电池的受体材料方面也得到了用武之地。石墨烯用于混合异质结电池OPSC中的电子传输和分离，电子的传输和分离要求材料具有良好的电子传导能力并且稳定性优良。给体材料、受体材料、金属电极及表面涂有一层导电聚合物的ITO共同构成了基于石墨烯的OPSC。Liu等［6］对石墨烯进行修饰，并使其溶于有机溶剂中，最终制备成OPSC。研究发现，结构上的缺陷会降低石墨烯传输电子的能力，而使电子复合可能性增加，从而不能对光电转换效率有明显贡献。

石墨烯也能够被应用在各类太阳能电池的光阳极中，如异质结太阳能电池及DSSC 等。引入石墨烯能够提高光电转换效率，降低生产成本。

此外，目前石墨烯及其衍生物也能够作为太阳能电池界面材料。在聚合物太阳能电池中，Li等［7］将石墨烯作为阳极界面层。Yun等［8］通过采用还原氧化石墨烯的溶液的方法将石墨烯旋涂成膜，并作为阳极界面层应用于电池中。通过该种方法处理的石墨烯已证实能够获得极好的导电性能。

石墨烯太阳能电池还可通过光学减反、化学掺杂和增加界面功能层等几类方法来提高光电转换效率。

3.2燃料电池

石墨烯的表面积大、电子转移速度快，因此也可作为燃料电池电极材料以提高反应速率。掺杂和修饰后的石墨烯材料，电极性能得到有效提高。例如通过N掺杂作为氧还原燃料电池电极材料。Zhang等［9］将表面经过金铂合金材料修饰过的石墨烯作为燃料电池电极材料，证实能够得到稳定的电极电流。此外，将石墨烯表面修饰纳米粒子也能获得较稳定的电极电流，Shang等［10］将石墨烯表面修饰铂纳米颗粒，Liu等［11］在石墨烯表面修饰PdAg纳米颗粒，证实用作电极后其性能稳定良好。

3.3超级电容器

石墨烯与导电高分子等材料组成复合物时有利于提高电容值，可在超级电容器上得到应用。基于双电层原理的双电层型超级电容器，仅通过电荷在电容器极板上集聚充电、中和放电，从而使得电容值与电极面积成正比。因此常采用高比表面积的电极材料研制双电层超级电容器。导电性高、表面积大且制备成本低的纳米材料石墨烯，成为研制超级电容器的理想材料。

Biswas等将分散在水中的石墨烯于玻璃片上滴干，反复之后得到沉积膜，并将这种沉积膜用于双电层超级电容器中。实验证明，采用石墨烯复合材料则能够显著提高比电容值。例如，将石墨烯与金属（氢）氧化物和导电高分子等构成复合物。实验证明：石墨烯-Ni（OH）2复合制作的超级电容器的比电容高达1335 F/g。

4 市场前景预测

石墨烯的特殊结构令它拥有很广阔的前景。由于它致密、高机械强度、可卷曲，无疑将给追求超薄、超轻的电子产品行业带来一场新的变革。华为技术有限公司曾宣布与英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院合作，研究如何将石墨烯的前沿成果应用于电子产品和移动通信设备中。而这些特殊性能不仅能够用于研发制造超轻型飞机，还可以用于研发防弹衣。在有效提高防护效果的同时显著减轻防弹衣的重量。更有研究人员表明，石墨烯材料将为制造出足够强韧的缆绳创造可能，而这种缆绳正是克服“太空电梯”研发困难的关键。

同时，石墨烯显著的导电性能优势也使它在高频电路中得到应用。试验发现：同等体积的电容在加入石墨烯材料后容量能够扩充至少5倍。在锂电池电极中加入石墨烯亦能使其导电性能显著提高，它能够在保持充电电池的大能量密度保持不变的情况下，有效提高输出密度。有预测称“手机的锂离子充电电池在几分钟内便可充满电”。目前石墨烯锂电池有望最早实现产业化，电动汽车行业目前的蓬勃发展也必将带动石墨烯电池的产业化进程。

此外，石墨烯是最有可能代替硅的材料，它出色的特性适合用来研发超微型晶体管，服务于超级计算机。研究表明：石墨烯替代硅之后的计算机处理器运行速度能够显著提高。

5 结束语

作为能在环境中稳定存在的独立二维碳原子晶体，石墨烯在电学方面的特性尤其突出，具有很高的应用价值及发展前景。但研究人员还有很关键技术需要突破，即如何制备不含缺陷及杂质的高品质石墨烯。石墨烯要想在更多领域应用，研究人员还需努力找寻更为有效的制备工艺。

［1］Wang Y， Tong S W， Xu X F， et al. Interface engineering of layerby-layer stacked graphene anodes for high-performance organic solar cells ［J］. Advanced Materials， 2011， 23（13）:1514-1518.

［2］Geim A K， Novoselov K S. The rise of grapheme ［J］. Nature material， 2007， 6（9）:183.

［3］Zhu Y， Murali S， Cai W， et al. Graphene and Graphene Oxide: Synthesis， Properties， and Applications ［J］. Advanced Materials，2010， 22（35）:3906-3924.

［4］Wang X， Linjie Zhi A， Müllen K. Transparent， Conductive Graphene Electrodes for Dye-Sensitized Solar Cells ［J］. Nano Letters， 2008， 8（1）:323-327.

［5］Wang Y， Tong S W， Xu X F， et al. Interface engineering of layerby-layer stacked graphene anodes for high-performance organic solar cells ［J］. Advanced Materials， 2011， 23（13）:1514-1518.

［6］Liu Z， Liu Q， Huang Y， et al. Organic Photovoltaic Devices Based on a Novel Acceptor Material: Graphene ［J］. Advanced Materials， 2008， 20（20）:3924-3930.

［7］Li S S， Tu K H， Lin C C， et al. Solution-processable graphene oxide as an efficient hole transport layer in polymer solar cells［J］. Acs Nano， 2010， 4（6）:3169-3174.

［8］Yun J M， Yeo J S， Kim J， et al. Solution-Processable Reduced Graphene Oxide as a Novel Alternative to PEDOT:PSS Hole Transport Layers for Highly Efficient and Stable Polymer Solar Cells ［J］. Advanced Materials， 2011， 23（42）:4923-4928.

［9］Zhang S， Shao Y， Liao H， et al. Graphene Decorated with PtAu Alloy Nanoparticles: Facile Synthesis and Promising Application for Formic Acid Oxidation ［J］. Chemistry of Materials， 2011，23（5）:1079-1081.

［10］Shang N， Papakonstantinou P， Wang P， et al. Platinum Integrated Graphene for Methanol Fuel Cells （vol 114， pg 15837， 2010） ［J］. Journal of Physical Chemistry C， 2012， 116（22）:12376.

［11］Liu M， Lu Y， Wei C. Electrocatalysts: PdAg Nanorings Supported on Graphene Nanosheets: Highly Methanol-Tolerant Cathode Electrocatalyst for Alkaline Fuel Cells （Adv. Funct. Mater. 10/2013）［J］. Advanced Functional Materials， 2013， 23（10）:1348-1348.

辛蕾（1995-），女，汉族，陕西人，西安交通大学电气工程专业。研究方向：绝缘科学与技术。

E-mail: 519834399@qq.com

Analysis of Graphene Properties and its Prospect of Applications

Lei Xin
（School of Electrical Engineering， Xi'an Jiaotong University， Xi'an， Shaanxi， 710000， China）

As a new type of two-dimensional planar structure of nano-materials， graphene shows different aspects of the excellent properties. Graphene's special structure and performance is becoming a hot spot of research in recent years. The article summarizes the performance advantages of graphene different aspects，analyzes its current application field， and the future development prospects are also predicted.

Graphene 2D Crystal； Electronic Quality； Application Trend

O613，O484

A

2095-8412 （2016） 04-824-03

工业技术创新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.066