石墨烯物理性质及应用研究

夏晓春

（延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000）

石墨烯物理性质及应用研究

夏晓春

（延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000）

石墨烯是从石墨材料中剥离出来的新型纳米材料，自被成功剥离以来，其科研价值和实用价值得到了广泛认可，且在材料、物理、电子等领域展现了广阔的应用前景，经过短短十几年的时间，石墨烯及其相关产品的研发应用在世界各地广泛展开，石墨烯成为取代硅胶材料和晶体管的新材料.本文主要就石墨烯的物理性质和应用进行研究，希望增加大家对石墨烯的了解.

石墨烯；物理性质；结构；应用

日常生活中，我们见到的石墨是由一层层蜂窝状的平面碳原子有序排列堆叠而成，不同层间的平面碳原子相互作用力较弱，容易剥离形成石墨片.剥离出来的，仅有一个碳原子厚度的石墨片就是石墨烯.关于石墨烯的理论研究至今已有60多年历史，长期以来石墨烯一直被认为无法稳定而单独的存在，2004年英国物理学家Geim和Novoselov在实验室成功玻璃出石墨烯后，在科学界掀起了巨大波澜.随后关于石墨烯的理论研究急剧增加，作为新型潜力替代材料，有关石墨烯应用的研发也迅速兴起，尤以中美日韩等国家最为活跃.在将来，石墨烯极有可能成为触摸面板、传感器、晶体管等电子器件和产品的核心材料[1].

1 石墨烯组成结构

石墨烯是一种碳原子间以sp2杂化方式紧密连接而成的蜂窝状单层碳原子晶体材料.晶格内碳原子排列规整，每个碳原子通过晶格内的3个σ键和其他碳原子相连接，碳原子的π电子相互作用形成离域π键，碳原子电子可在离域π键内自由移动，因而石墨烯具有非常良好的导电性能.

在热力学上，二维晶体结构性质相当不稳定，因此无论沉积于基底的Graphene，还是以自由形态存在的Graphene,其表面形态都存在8至10nm的微褶皱，并不是非常平整.正是这种三维变化，引起静电的产生，让单层Graphene很容易聚集起来.值得注意的是，石墨烯的光学性质和电学性质会因为表层褶皱的大小不同而略有差异.除开表层褶皱缺陷之外，石墨烯也并非人们所想象的那么完美，它还是存在各种各样的缺陷，如杂原子、五元环、裂纹和空洞等，而这些缺陷或多或少的都会影响石墨烯优良的力学性能、导热性能.但是经过相关专家学者的实验证明，采用化学处理手段或高能射线照射等方式有意制造的缺陷，却能够改变Graphene的本征，进而制备出符合特殊需求的石墨烯器件.

2 石墨烯的物理性质

由于石墨烯特殊的单层原子结构，使得石墨烯拥有优良的物理性能.

一是优良的导电性能.组成石墨烯的碳原子都含有一个独立的未成键π电子，这些π电子相互作用并形成垂直于平面的π轨道，碳原子当中的电子可在π轨道内自由移动，从而使得石墨烯具有非常优良的导电性能.据有关研究表明，室温下石墨烯的电流载体迁移率可达到15000cm2(V.s)，迁移速度达到了光速的三百分之一，并且在特定条件下，石墨烯的电流载体迁移率更高，如在液氦温度下，其电流载体迁移率可达到250000cm2(V.s)，迁移率远远超过砷化镓、硫化镉、硒化铅、锑化铟等半导体材料.因此，石墨烯所具备的电子性质和中微子所具备的相对论性极为相似，并且π电子在不同晶格间的移动毫无障碍，并不会出现散射现象，因此石墨烯还具备良好的电子传输性能[2].此外，石墨烯特殊的电子结构还使得其具备很多出乎意料的电学性质，如在室温条件下呈现的量子霍尔效应.

二是优良的机械性能.现阶段，关于石墨烯机械性能的研究主要集中于氧化石墨烯、石墨烯复合材料等方面.布林森等人对石墨烯聚合物复合材料的机械性能进行了研究，研究结果发现在聚合物复合材料当中加入适量石墨烯，能够让PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯)的强度和Young's modulus大幅提高，且添加石墨烯的效果远远好于添加膨胀石墨(EG)与单壁碳纳米管.Chen Y S.等人发现，仅需添加1%的石墨烯，就能够使得制备的磺基和TPU(热塑性聚氨酯)与异氰酸酯功能化的石墨烯组成的复合材料强度和模量分别提高75%与120%.Eric J.Zimney等人在对胶装氧化石墨烯悬浮液实施阳极氧化膜过滤后，在水流作用力下对石墨烯单片进行定向流动组装，进而成功制备出无支撑的纸状氧化石墨烯材料.这种氧化石墨烯材料以瓦片形式相互连接或平行方式相互连接，经过拉升实验证明，氧化后的石墨烯具备非常高的断裂强度和杨氏模量，其模量在32GPa左右，其机械性能与巴基纸(碳纳米管纸)十分相似.Kaixuan Sheng等人利用石墨烯制备出了石墨烯水凝胶，并且指出石墨烯水凝的断裂强度和拉伸模量非常高，分别为125GPahe与1.1TPa，同时还指出由于石墨烯特有的大共轭结构，使得π电子容易堆积，进而让不同石墨烯片紧密连接，并且因π电子之间相互作用而堆积形成的水凝胶在强度上明显高其他普通类型的凝胶.Jeffrey W.Kysar等人将单片石墨烯覆盖在直径为1.5um左右的圆形小孔上，然后利用原子力显微镜探针针尖压膜的方式对单层石墨烯的拉伸模量参数进行了测量.

三是优良的透光性能.单层石墨烯厚度最多不超过0.34nm,因此石墨烯具备优良的光学性能，且相关理论和实验也证明了石墨烯的这一优良物理特性.Nair等人通过研究发现，单层石墨烯吸收的可见光大约为2.3%，因此单层石墨烯的透光率在97.7%左右，研究还显示双层石墨烯的透光率在95.5%左右.正是由于石墨烯具备的优良透光性能和导电性能，因此石墨烯被广泛应用于大尺寸的透明导电薄膜当中.

四是优良的导热性能.Suchismita Ghosh等人通过比较单层石墨烯在拉曼光谱激发光激发和没有激发光激发时G峰频率的变化情况，得出单层石墨烯在室温条件下热导率系数为 (4.84±0.44)× 103-(5.30±0.48)×103W·m-1·k-1，实验结果表明室温条件下的单层石墨烯热导率系数甚至明显优于高温条件下的碳纳米管[3].优良的到特性能使得石墨烯成为电子产品降温的重要材料.实验条件下，单片石墨烯被悬挂在基片蚀刻出的3um沟槽上，然后用聚焦激光束的方式加热石墨烯中间部位，最后再通过单片石墨烯上的能量运输分析出石墨烯的导热系数.前文已经提及，石墨烯当中的π电子迁移速度已达到了光速的三百分子之，电子运动速度远超其他类型材料，因此π电子在穿透石墨烯晶格上可以说毫无阻力，因此石墨烯的应用有望打破当前电子产品硅基芯片产热影响运行速度极限的问题.

五是铁磁性质.由于有机物的铁磁性质在基础技术领域具备广阔的发展空间，因此长期以来受到人们的不断探索，然而现阶段关于有机物铁磁性质的研究基本在低温条件下进行，直至2001年三角晶系足球烯的发现，人们才意识到可能存在一种以单质碳形式存在的非金属铁磁体.当前，关于石墨烯铁磁现象的争论焦点在于实验所采用的石墨烯是否掺杂了磁性金属杂质，这些杂质很可能在石墨烯氧化的过程中被掺入.Yi Huang等人通过实验证实了石墨烯当中存在磁性金属杂质，但是其含量远远低于其他金属铁磁体的浓度，因此Yi Huang等人认为石墨烯所产生的铁磁现象主要是由于制备过程中石墨烯结构的空位或拓扑缺陷所造成的.

3 石墨烯的应用方向

石墨烯应用范围较广，无论是智能服装、柔性电缆，还是折叠显示器、太空电梯，都可将石墨烯作为原料.本文主要介绍石墨烯在电子产品、生物医药和光电功能材料三大领域的应用.

3.1 在电子产品当中的应用

硅材料的应用带领我们进入了数字化时代，但是人们尝试采用新材料让集成电路更小、更薄、更便宜的研究步伐从未停止，而在众多备选新材料之中，石墨烯因其良好的性能倍受青睐.石墨烯具备优良导电性能、透光性能和机械性能，使得石墨烯成为制作弯曲电子设备的最佳材料.当前，石墨烯已经被广泛应用于存储器、集成电路、晶体管及其他电子产品原件制作中.

IBM(万国商业机器公司)研制出了全球运行速度最快的以石墨烯为原材料的晶体管.2010年2月，万国商业机器公司和MIT发布了共同研究成果：在碳化硅基板上形成的栅长为240nm的Graphene Field Effect Transistor(石墨烯场效应晶体管)，同时验证到石墨烯的FET频率为230GHz.万国商业机器公司表示，他们计划将石墨烯应用于高频射频元件中.与此同时，美国莱斯大学研究人员也开始着手研究以石墨烯为原料的存储单元密度是闪存两倍以上的存储器.由于石墨烯由单层碳原子构成，因此莱斯大学的研究人员将首次将其应用到架构相对简单的存储器件上[4].

研究人员认为，石墨烯是当前已知导电材料当中导电性能最为出色的，石墨烯优良的导电性能尤其适合应用于高频电路中.可以说高频电路是电子工业发展的导航，科研人员正致力于将海量信息填充于手机电脑等电子设备的信号中，电子设备被使用的频率越来越高，相应产生的热量也随之升高，然而高频提升却收到很大限制.石墨烯的出现和应用，使得高频提升有了发展空间，因此石墨烯在微电子领域具有非常广阔的应用空间，甚至有研究人员将石墨烯用作硅材料替代品进行超级计算机的研制.

3.2 在生物医药领域的应用

由于石墨烯特殊的单层碳原子结构，因此比表面积较大，很适合作为药物载体.Robinson J T等人首先成功制备出具有生物相容性的PEG功能化石墨烯，赋予石墨烯良好的水溶性，确保石墨烯在血浆等化环境中稳定分散，并采用π电子-π电子作用，将喜树碱衍生物负载到石墨烯上，由此开启了将石墨烯应用于生物医药领域的大门.Patil A J等人利用σ键的作用，将可溶性石墨烯作为载体，将DXR高效负载于石墨烯上.由于石墨烯较大的比表面积，阿霉素的负载量可达到2.35mg/mg，负载量远超水凝胶为颗粒、高分子胶束等药物载体.此外，Patil A J等人还通过调节石墨烯PH值的方式改变Graphene及其负载物的σ键作用，从而实现可控的负载与释放.研究表明，阿霉素在PH值为中性时负载量为高，碱性次之，酸性最低，阿霉素的释放过程与PH值大小同样息息相关.Patil A J等人还利用磁性氧化铁功能化的Graphene作为药物载体，分析石墨烯的靶向行为，研究结果表明，在此条件下阿霉素的负载量为1.08mg/mg，比一般药物载体负载量1.0mg/1.0mg略高，且在酸性条件下该负载物容易聚沉，在磁场条件下会进行定向移动，到了碱性环境聚沉物又会自动溶解.由此可以看出，石墨烯在生物医药领域具有非常广阔的市场前景[5].

3.3 在光电功能材料与器件中的应用

光电功能新材料和新器件的开发应用对于电子通讯的发展具有非常大的促进作用，其中尤以非线性光学材料的应用前景和贡献最为突出.优质非线性光学材料具有较大的π体系和偶极矩，石墨烯的特性与优质非线性光学材料要求恰好一致.Liu Z B等人成功制备了一类具备强喜光功能的石墨烯材料，经过非线性光学和系统结构研究，获得了当前性能比最高的非线性光学纳米杂化材料，该材料具备优良的稳定性，且其溶液可处理性已得到了科研人员的公认，因此以石墨烯为原料的非线性光学纳米杂化材料有望应用于特种光学器件领域.

FET是除光学器件外，最具应用前景的光电器件，而石墨烯则被视为现阶段潜力最大的FET新材料.Lee S W等人制备出了宽度为5-10nm的，具备多种结构和形态的聚间亚苯亚乙烯功能化石墨烯带.他们发现，当石墨烯纳米带宽度不足10nm时，聚间亚苯亚乙烯功能化石墨烯带具备明显的半导体性质，他们利用该纳米带制备出了石墨烯场效应晶体管，发现其室温下的开关比为107.

4 结语

从总体上来看，自石墨烯被发现并成功剥离以来，无论在理论研究还是在实践领域，石墨烯都展示出了强大的科研与应用价值.随着石墨烯性能及其应用研究的进一步深化，我们除了全面理解石墨烯的本征结构和物理化学性之外，还必将获得基于石墨烯性能而研发出来的一系列新材料，从而为实现石墨烯的实际应用奠定科学和技术基础.

〔1〕王彦.石墨烯的制备及其在聚合物复合材料中的应用[D].上海交通大学,2012.

〔2〕陈艳华.聚合物/石墨烯纳米复合材料制备与性能研究[D].苏州大学,2013.

〔3〕胡晓阳.碳纳米管和石墨烯的制备及应用研究[D].郑州大学,2013.

〔4〕陈清.基于石墨烯纳米材料的新型结构与电容器件研究[D].北京理工大学,2015.

〔5〕杨少林.石墨烯三维结构制备与应用[D].中国科学技术大学,2014.

TM242

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1673-260X（2017）01-0004-03

2016-10-13

陕西省教育厅项目：ZnO基稀磁半导体纳米线阵列的制备与性能研究(2013JK0917)