近年來，我們經(jīng)常聽見石墨烯這個(gè)名詞,，在各種媒體也經(jīng)?？吹礁鞣N研究進(jìn)展的公布，并且聽見報(bào)道說它能如何如何的改變我們的生活,。那么,，石墨烯到底是一個(gè)什么東西,，真的就有這么厲害嗎？它是如何在科學(xué)界發(fā)揮它的作用,，現(xiàn)在能不能又能不能商業(yè)應(yīng)用呢,？那么我們就來一起了解科學(xué)界的明星——石墨烯

什么是石墨烯？

我們都知道什么是碳,，碳是一種非金屬元素,，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁語為Carbonium,，意為“煤,，木炭”。碳是一種很常見的元素,，它以多種形式廣泛存在于大氣和地殼和生物之中,。或許你還知道什么是石墨,，但是石墨烯就不了解了,，事實(shí)上，石墨烯就是由碳元素組成的,，只是結(jié)構(gòu)與普通的碳不一樣,，就好比我們熟知的鉆石，事實(shí)上也是碳的一種,，只是碳原子的空間結(jié)構(gòu)不一樣,。

鉆石中碳原子結(jié)構(gòu)

石墨烯是從石墨中分離出來的，是一種單原子層二維碳納米材料,，層內(nèi)碳原子之間以共價(jià)鍵相連,，呈現(xiàn)蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，石墨是一種常見的礦物,，是由許多層碳原子組成,，具有層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間可以相互剝離,，因此,，石墨可以用來制作鉛筆，書寫過程中由于層間的脫落留下書寫痕跡,。石墨對(duì)于我們來說是非常常見的物質(zhì),。而石墨烯便是納米尺寸的單層二維結(jié)構(gòu)。

石墨礦物

石墨的層狀原子結(jié)構(gòu)

石墨烯的結(jié)構(gòu)如下圖所示，碳原子以六元環(huán)的形式排列在同一平面內(nèi),。碳原子之間以 δ 鍵的形式互連,，每個(gè)碳原子都會(huì)形成三個(gè) δ 鍵，從而使石墨烯能夠擁有良好的機(jī)械性能,。碳原子周圍剩余的價(jià)電子會(huì)形成與碳平面垂直的共軛大 π 鍵,，因此電子可在石墨烯平面間自由移動(dòng)，這也保證了石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能,。石墨烯中的長(zhǎng)程共軛 π 鍵使其擁有良好的熱力學(xué)性能,、機(jī)械性能和導(dǎo)電性能。

石墨烯原子結(jié)構(gòu)

大Π鍵的形成

2004年,，Science雜志首次報(bào)道了曼徹斯特大學(xué)的Andre Geim和Konstantin Novoselov成功分離出穩(wěn)定的石墨烯，并論述了石墨烯材料的基本性質(zhì),。長(zhǎng)期以來,，人們一直認(rèn)為單原子層的二維材料是不穩(wěn)定的，所以不可能在自然界中獲得,。 直到2004 年 Novoselov 等用一種非常簡(jiǎn)單的膠帶剝離法將石墨剝離成單層的石墨烯,，從此開啟了石墨烯等二維納米材料的新時(shí)代。他們關(guān)于石墨烯的研究被授予2010年諾貝爾物理獎(jiǎng),，轟動(dòng)世界,，推動(dòng)了石墨烯材料的研究，促進(jìn)了石墨烯在物理,、化學(xué),、材料、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境方面的研究,。 石墨烯商業(yè)化的新產(chǎn)品也不斷出現(xiàn),。多國(guó)政府把石墨烯材料立為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，關(guān)于石墨烯材料的投資也越來越多,。近年來關(guān)于石墨烯的研究報(bào)道呈指數(shù)上升,，同時(shí)很多疑問和困惑也相繼產(chǎn)生,。

石墨烯有何優(yōu)異的性能

1.導(dǎo)電性

石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止,，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況,。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí),，碳原子面就彎曲變形,，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性,。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來源子而發(fā)生散射,。由于原子間作用力十分強(qiáng),，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞,，石墨烯中電子受到的干擾也非常小,。石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度,。這使得石墨烯中的電子,，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載子”的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似,。

2.機(jī)械特性

石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì),，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍,。并且可以彎曲,，石墨烯的理論楊氏模量達(dá)1.0TPa，固有的拉伸強(qiáng)度為130GPa,。而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強(qiáng)度,，平均模量可達(dá)0.25TPa，不過它的斷裂強(qiáng)度并沒有報(bào)道,。此外,，目前人們組裝成了一種紙狀材料。這種材料的平均彈性模量和最大斷裂強(qiáng)度分別達(dá)到了32GPa和120 MPa,。

石墨烯碳納米管

3.熱性能

石墨烯具有非常好的熱傳導(dǎo)特性,。純的無缺陷的單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/mK,，是目前為止導(dǎo)熱系數(shù)最高的碳材料，高于單壁碳納米管（3500 W/mK）和多壁碳納米管（3000 W/mK）,。當(dāng)它作為載體時(shí),，它的導(dǎo)熱系數(shù)也可達(dá)600W/mK。

由于能將電子產(chǎn)品運(yùn)行中產(chǎn)生的大量熱量快速擴(kuò)散到空氣中,，使其獲得更好的工作性能和穩(wěn)定性,，石墨烯在電子設(shè)備散熱應(yīng)用中具有非常廣闊的前景。由于具備高的熱電轉(zhuǎn)化效率及獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),，石墨烯吸引了眾多科學(xué)家的目光,。最近的研究發(fā)現(xiàn)，由于石墨烯的透明性,、柔性,、可快速加熱以及石墨烯片層上溫度的均勻性，石墨烯被視為理想的加熱元件,。

現(xiàn)在的很多智能旗艦手機(jī)就使用石墨烯貼片為手機(jī)散熱,，從而充分發(fā)揮手機(jī)性能。

手機(jī)使用石墨烯散熱

石墨烯的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域

代替硅生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片

目前,，晶體管由昂貴的硅制成，在電子設(shè)備中應(yīng)用時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量,，且運(yùn)轉(zhuǎn)速度越快,，電子高速碰撞就會(huì)越激烈，產(chǎn)生的熱量也越多,，這也是限制電子產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)速度的一個(gè)重要因素,。由于室溫下的量子自旋霍爾效應(yīng)，電子在石墨烯中穿行沒有任何阻力,，產(chǎn)生的熱量也很少,，而且石墨烯本身具有較高的熱導(dǎo)率，產(chǎn)生的熱量也會(huì)很快散掉,，因此石墨烯電子產(chǎn)品比硅具有更高的運(yùn)行速率,。石墨烯還可用來制備射頻晶體管,，目前射頻晶體管主要采用半導(dǎo)體材料硅或更貴的磷化銦，在相同的工作電壓下,，電子在石墨烯中的速度是在磷化銦中的10 倍,、硅材料中的100倍。

半導(dǎo)體芯片

研究者們還證明了在石墨烯中摻雜一定數(shù)量的多電子型分子可改變石墨烯的電化學(xué)特性,，并在此基礎(chǔ)上制備了n型晶體管,，向石墨烯基電路邁出了關(guān)鍵一步。據(jù)估計(jì),，石墨烯芯片處理器的頻率有望達(dá)到1 THz以上,。雖然目前石墨烯的研究仍處于基礎(chǔ)研究階段，但由于其優(yōu)異的性能以及制備石墨烯的原料是價(jià)格低廉的石墨,，因此用石墨烯替代硅制造電子產(chǎn)品的應(yīng)用前景十分廣闊,。

柔性顯示

石墨烯由于具有很好的導(dǎo)電性和透明性，可彎折且機(jī)械強(qiáng)度好,，使其在柔性顯示領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,。相較于ITO，石墨烯具有更佳的柔性及透光性,。這種超柔性的石墨烯層讓許多產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn),，包括可折疊的電子產(chǎn)品、柔性觸摸屏和可穿戴設(shè)備,。

柔性顯示屏

鋰離子電池

常規(guī)鋰電池的非碳基負(fù)極材料主要包括錫基,、硅基及其它過渡金屬材料，在鋰電工藝中,，由于充放電過程中的熱脹冷縮以及應(yīng)力的變化,，負(fù)極材料易發(fā)生脫落、破裂等現(xiàn)象,，導(dǎo)致循環(huán)性能大幅下降,。加入石墨烯改性的復(fù)合材料后，不僅可以提高材料的穩(wěn)定性、導(dǎo)電性,、儲(chǔ)鋰容量,，還可增加其使用壽命，這符合電池工業(yè)的發(fā)展理念,。同時(shí),，由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和機(jī)械性能，石墨烯也可應(yīng)用于鋰電池的正極材料,。應(yīng)用石墨烯,，可改進(jìn)一些儲(chǔ)鋰能力高但導(dǎo)電率低的材料的性能，還可增強(qiáng)正極材料的機(jī)械性能,，提高其使用壽命,。石墨烯也可用于電極材料的添加劑，增強(qiáng)添加劑的導(dǎo)電能力,，提高其循環(huán)性能和高倍率性能,。通過不斷的實(shí)驗(yàn)和研究，石墨烯可逐步替代石墨,、乙炔黑等常規(guī)電池添加劑,。

石墨烯對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)的影響非常巨大，不僅涉及到工業(yè),，還有軍事等,，石墨烯從 2004 年被人們發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在十幾年的時(shí)間里，因其獨(dú)特的力學(xué),、光學(xué)和電學(xué)等物理化學(xué)性能吸引著世界眾多科學(xué)家的目光,。 正是由于石墨烯在材料領(lǐng)域的迅速興起， 一些在結(jié)構(gòu)上與其相似的二維納米材料（例如氮化硼,、二硫化鉬和黑磷等）也得到蓬勃發(fā)展,， 整個(gè)二維納米材料大家族引起了全世界科學(xué)家的關(guān)注。目前,，雖然有關(guān)石墨烯制備方法的報(bào)道很多,， 但是由于各種制備方法的局限性限制了石墨烯的應(yīng)用研究和工業(yè)化發(fā)展， 如何找到一種低成本大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的方法仍然是當(dāng)前石墨烯研究的重點(diǎn),。另外，加速石墨烯的功能化以及復(fù)合材料的研究也可以擴(kuò)寬它的應(yīng)用領(lǐng)域,。 隨著科學(xué)家們研究的不斷深入,，石墨烯及其復(fù)合材料在新能源材料、生物醫(yī)學(xué),、凈水,、納米電子器件等領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景,。