探析石墨烯的物理性质和应用

赵炳睿��

摘 要：作为新型纳米材料的石墨烯是从石墨中提取出来的，具有科学研究价值大以及实用性强的优势，并在物理应用以及电子科技等众多行业中得到了广泛运用。虽然石墨烯研究成功时间较短，但是其经过深度研究与发展之后，可以代替硅胶材料以及晶体管的使用。本文通过介绍石墨烯的组成结构和物质理性，深入探寻石墨烯的应用方向。

关键词：石墨烯；物理性质；结构；应用

石墨是人们日常生活中的常见物品之一，多层蜂窝状的平面碳原子按照一定的顺序和规律排列组合在一起也就形成了石墨，其实，石墨中平面碳原子的性能比较稳定，相互作用力很小，这也是石墨大多以石墨片为主要形状的原因。石墨烯可以简单理解为是只有一个碳原子厚的石墨片。石墨烯的科学研究时间较长，但在最开始时，石墨烯因自身性能的不稳定性而只能依附于其他物体，21世纪初期，石墨烯的成功剥离在物理学界乃至全世界产生了巨大的影响，并引起石墨烯科学研究的高潮，即使直到现在，世界各国对石墨烯研究的关注度也从未减少。

一、 简单介绍石墨烯的结构

单从字面就可以看出石墨烯和石墨必然存在密不可分的联系，作为晶体材料的石墨烯是有许多蜂窝状、排列整齐的单层碳原子组成，晶格内的3个σ键是连接不同碳原子的关键所在。碳原子内的π电子可以相互作用并在特定区域内自由活动，这决定了石墨烯必然会具有较强的导电性。

然而，单纯从热力学角度而言，二维晶体结构的稳定性较差，不管其以何种形态存在，其表面都会有一些细微的褶皱，极不平整，但也正是因为这种特性，才能让其产生静电，从而增强对单层Graphene的吸引力和凝聚力。不同石墨烯的表层褶皱程度并不完全相同，进而导致其光学和电学性质会有一些区别和差异。世间任何事物都并非十全十美，石墨烯也不例外。虽然石墨烯科研潜力巨大，但是杂原子、空洞等自身存在的缺陷也会让石墨烯的力学和导热性能大打折扣，因此，科研人员大多会用专门的手段和技术来尽可能地消除这些缺陷，为制作出更高质量和标准的石墨烯器件提供基本的保障。

二、 简单介绍石墨烯的物理性质

（一） 导电性能

石墨烯是有大量碳原子组成的，而碳原子中存在的未成键π电子具有独立性，石墨烯碳原子中的π电子之间相互作用，并形成可以让电子自由移动的与平面相垂直的轨道，赋予石墨烯以较强的导电性能。正常条件下，石墨烯电流载体迁移率已经超出人们的想象，甚至可以用光速来计算，在最佳理想状态下，石墨烯电流载体迁移率也会提高，是硒化铅等半导体材料所无法比拟的。除此之外，石墨烯还具有许多其他的电学性质，比如电子传输性等。

（二） 机械性能

石墨烯研究力量并不均衡，对于石墨烯机械性能的研究主要以石墨烯复合材料的研究为主。相关研究表明，添加了石墨烯的聚合物复合材料的强度远远高于没有添加石墨烯的聚合物复合材料。只需要添加极少量的石墨烯，就可以让复合材料的强度以及模量提高二分之一甚至一倍。另外，经过氧化处理的石墨烯的断裂强度较高，这也是石墨烯水凝胶研制成功的基础和前提条件。具有大共轭结构的石墨烯让许多π电子聚集在一块儿，加强了石墨烯片的紧密性和连接性，从而让石墨烯水凝胶的强度大幅度高于其他类型的凝胶。

（三） 透光性能

单层石墨烯的厚度低于0.34 nm，这也是石墨烯具有透光性的主要原因。此外，相关研究发现，单层石墨烯吸光性较低，甚至可以忽略不计，透光性较高，双层石墨烯的透光性略微低于单层石墨烯的透光性，于是，石墨烯在透明导电薄膜中的应用越来越广泛。

（四） 导热性能

常温状态下的单层石墨烯热导率系数比高温状态下碳纳米管的热导率系数还要高，因而，石墨烯并广泛运用到降温材料研制中。

三、 石墨烯的应用

（一） 石墨烯在电子领域中的广泛应用

具有较强导电性、透光性以及机械性的石墨烯成为当前电子产品原件的主要制作材料之一。科研人员根据石墨烯的导电性能，将其应用于高频电路之中，为电子工业的未来发展指明新的方向。电子设备使用频率与产生的热量成正相关性，限制了高频的提高，石墨烯的出现则打破了高频提升的限制，拓宽了微电子领域未来发展以及应用空间。

（二） 石墨烯在生物制药行业的广泛使用

石墨烯的特性符合药物载体的要求，PEG功能化石墨烯的研制成功让石墨烯具有较强的水溶性，可以在血液等环境中按照预定设想发挥作用。

（三） 石墨烯在光电领域中的运用

石墨烯和优质非线性光学材料的特性具有较强的一致性，被认为是当前时期发展潜力巨大的FET等光电器件的材料。

四、 小结

加强石墨烯科学研究力度，深入挖掘石墨烯的应用价值，加快石墨烯的科研和推广使用的速度，助推医学制药、电子产品制造、光电功能材料等多个行业的快速发展。

参考文献：

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[2]蓝秋明，李嘉宝，何鑫，等.石墨烯/银纳米线复合透明导电薄膜光电性能及稳定性研究[J].人工晶体学报，2015（12）：3788-3792，3798.

[3]罗玉峰，赖建鸿，徐顺建，钟炜，肖宗湖，罗永平.二维石墨烯制备方法研究进展[J].新余学院学报，2013（4）.

作者简介：

赵炳睿，山東省潍坊市，潍坊中学高三2016级20班。