石墨烯（xī）帶（dài）我（wǒ）們走進未來世界！

石墨烯帶我們走進未（wèi）來世界！

石墨烯（Graphene）是一種由碳原（yuán）子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平麵薄膜，是一種隻有一個原子層厚度（dù）的準二（èr）維材（cái）料，所（suǒ）以又叫做單原子層石墨。英國（guó）曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微（wēi）機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨（mò）烯常見的粉體生產的（de）方法（fǎ）為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生（shēng）長（zhǎng）法（fǎ），薄膜生產方法為化學氣相沉（chén）積法（CVD）。由（yóu）於其十分良（liáng）好（hǎo）的強度（dù）、柔韌、導電、導熱、光學特性，在物理學、材料學、電子信息、計算機、航空航天（tiān）等領域都（dōu）得到了長足的發展（zhǎn）。

作為目前發現的薄、強度大、導電導熱性能強的一種新型（xíng）納米材料，石墨（mò）烯被稱為“黑金”，是“新材料之首”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底（dǐ）改變21世紀（jì）”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。

石（shí）墨烯分為石（shí）墨烯粉體和石墨烯薄膜兩大類。常見的石墨粉體（tǐ）生產的方（fāng）法為機械剝離（lí）法、氧化還原法、SiC外延（yán）生（shēng）長法。石墨烯薄膜生產方法為化學氣相沉積法（CVD）。

石墨烯粉體生產方法

1、機械剝（bāo）離法

機械剝離（lí）法是利用物體與石墨烯之間的（de）摩擦和相對（duì）運動，得到石墨烯薄層材料的方法。這種方（fāng）法操（cāo）作簡單（dān），得到（dào）的石墨烯通常保（bǎo）持著完整（zhěng）的晶體結（jié）構 。2004年英國兩位科學使（shǐ）用透（tòu）明膠（jiāo）帶（dài）對天然石墨進行層層（céng）剝離取得石墨烯的方法，也歸為機械剝離（lí）法，這種方法一度被認為生產效率低，無法工（gōng）業化量產。

近年來，產（chǎn）業界（jiè）對於石墨烯的生產方法進行了大量的研發創新，目前在廈門、廣東等省市已經（jīng）有幾（jǐ）家公司（sī）攻克（kè）了低成（chéng）本大規模製備石墨烯的（de）生產瓶頸，使用機械（xiè）剝離法工業（yè）化量出成本低、品質高（gāo）的石墨烯。

2、氧化還原（yuán）法

氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學（xué）試劑及高錳酸鉀（jiǎ）、雙（shuāng）氧水等氧化劑將天然石墨氧化，增（zēng）大石（shí）墨層之間的間距，在石墨層與層之間插入氧化物，製得氧化石墨(GraphiteOxide)。然後將反應物進行水洗，並對洗淨後的固體進行低溫幹燥，製得氧化石墨粉體。通（tōng）過物理剝離、高溫膨脹等方法對氧化石（shí）墨粉體進行剝離，製得氧化石墨烯。後通過化學法（fǎ）將氧化石墨烯還原，得（dé）到石墨（mò）烯（RGO）。這種方法操（cāo）作簡單，產量高，但是（shì）產品質量較低[13] 。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強酸，存在較大的危（wēi）險性，又須（xū）使用大量的水進行（háng）清洗，帶大較大的（de）環境汙染。

使用氧（yǎng）化（huà）還原法製備的石墨烯，含有較豐富（fù）的含氧官能團，易於改性。但由於在對氧化（huà）石墨烯進行還原時，較難控製還原後（hòu）石墨（mò）烯的氧含量，同時氧化石墨（mò）烯在陽光照射、運輸時車（chē）廂（xiāng）內高溫等外界每（měi）件影響下會不斷的還原，因此氧（yǎng）化還原法生產的石墨烯逐批產品的品（pǐn）質往往（wǎng）不一致，難以控製品（pǐn）質。

目前不少人將（jiāng）氧化石墨（mò）、氧（yǎng）化石（shí）墨烯、還原氧化石墨烯概念理解混淆。氧化石墨呈（chéng）棕色，為石墨（mò）與氧化物聚合體。 氧（yǎng）化石墨（mò）烯係將氧化石墨剝（bāo）離（lí）至單層、雙層或寡層（céng）後的產物，含有大量的含氧基團，因此氧化石墨烯不（bú）導電，氧化石墨烯性質活躍，在（zài）使用過程中特別是參與高溫材（cái）料加工過（guò）程（chéng）中（zhōng），會不（bú）斷還原並釋放出二氧化硫等氣體。 通過將氧（yǎng）化石墨烯還原之後的產（chǎn）品，才能稱為（wéi）石墨烯（還原氧化石墨烯）。

3、（碳化矽）SiC外延法

SiC外延法是通過在（zài）超高真空的高溫環境下，使矽原子升華脫離材料（liào），剩下的C原子（zǐ）通過自（zì）組形式重構，從而（ér）得到基於SiC襯底的石墨烯。這種方（fāng）法可以獲得高質量的石墨烯，但是這種方法對（duì）設備（bèi）要求較高（gāo）。

石墨烯帶我們走進未來（lái）世界（jiè）！
分享到：微信新浪微博QQ分享QQ空間豆瓣網百度貼吧
石墨烯（Graphene）是（shì）一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平麵（miàn）薄膜（mó），是一種隻有一個原子（zǐ）層厚度的準二（èr）維材料，所以（yǐ）又叫做單（dān）原子層石墨。英國曼徹斯特（tè）大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功（gōng）從石墨中（zhōng）分（fèn）離出（chū）石墨烯，因此共（gòng）同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯常見的粉體生產的方法為機械剝離法、氧化（huà）還原法、SiC外延生長法，薄（báo）膜生產方法為化學氣相沉（chén）積法（CVD）。由於其十分良好的強度、柔韌、導電、導熱、光學特性，在物理學、材料（liào）學、電子信息、計算機、航空航天等領域都得到了長足的發展。

作為目前發（fā）現的薄、強度大、導電導熱性能強的一種新型納米材料，石墨烯（xī）被稱為“黑金”，是（shì）“新（xīn）材（cái）料（liào）之首”，科學家（jiā）甚至（zhì）預言石墨烯將“徹底改變（biàn）21世紀”。極（jí）有可能掀起一場席卷（juàn）全球（qiú）的顛覆性新技術新產業革命。

石墨烯（xī）分為（wéi）石墨烯粉體和石墨烯薄膜兩大類。常見的石墨粉體生產的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生（shēng）長法。石墨烯薄膜生產方法為化學氣相沉積法（CVD）。

石墨（mò）烯粉（fěn）體生產方法

1、機械剝離法

機械剝離法是利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對運動，得（dé）到石墨烯薄層（céng）材料的方法。這種方法操作簡單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體（tǐ）結構 。2004年英國兩位科學使用透明膠帶對天然石墨進行層層剝離取得石墨烯的方法，也歸為機（jī）械剝離法，這種方法一度被認（rèn）為生產效率低，無法工業化量產。

近年來，產業（yè）界對於石墨烯的生（shēng）產方法進行了大量的研（yán）發創新，目前在廈門、廣東等省市已經有幾家公司（sī）攻（gōng）克了低（dī）成本大規模製備石墨烯的生產瓶頸，使用機械剝（bāo）離（lí）法工業化量出成（chéng）本低、品質高的石墨烯。

2、氧化還原法（fǎ）

氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化，增（zēng）大石墨層（céng）之間的間距，在石墨層與層之間插入氧化物，製得（dé）氧化石墨(GraphiteOxide)。然後將反（fǎn）應物進行水洗，並（bìng）對洗淨後的固體進行（háng）低溫幹燥，製得氧化（huà）石墨粉體。通過物理剝（bāo）離、高溫膨脹等方法對氧化石墨粉體（tǐ）進行剝離，製得氧（yǎng）化（huà）石墨烯。後通過化學法將氧（yǎng）化（huà）石墨烯還原，得到（dào）石墨烯（RGO）。這種方法操作簡單，產量高（gāo），但是產品質量較低[13] 。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強酸，存在較大的危險性（xìng），又須使用大量的水進（jìn）行（háng）清洗，帶大較大（dà）的環境汙染（rǎn）。

使用氧化還原（yuán）法製備的石墨烯，含有較豐富的（de）含氧官能團（tuán），易（yì）於（yú）改性。但由於在對氧化石墨烯進行還原時，較難控製（zhì）還（hái）原後石墨烯的氧含量，同時氧化石（shí）墨烯在陽光照射、運輸時車廂內高溫等外界每件影響下會不斷的還原，因（yīn）此（cǐ）氧化還原法生產的石墨烯逐批產品的品質往往不一致（zhì），難（nán）以控製品質。

目前不少人將氧化石墨、氧化（huà）石墨烯、還原氧化石墨烯概念理解混淆。氧化石墨呈（chéng）棕色，為石墨與氧化物聚合體。 氧化石墨（mò）烯（xī）係將氧化石墨剝離至單層、雙層或寡（guǎ）層後的（de）產物，含有大量的含氧基團，因此氧化石（shí）墨烯不導電，氧化石墨烯（xī）性質活（huó）躍，在使用過程中特別是參與高溫材料加工過程中，會不斷還原並（bìng）釋放出二氧化硫等氣體。 通過將氧化石墨烯還原（yuán）之後的產品（pǐn），才能稱為石墨烯（還（hái）原氧化石墨（mò）烯（xī））。

3、（碳化矽）SiC外延法

SiC外延法是（shì）通過在超高（gāo）真空（kōng）的高溫環境下，使矽原子升華（huá）脫離材料，剩下的C原子通過自組形式重構，從而得到基於SiC襯底（dǐ）的石墨烯。這種方法可以獲得（dé）高質量的石墨（mò）烯，但是這種（zhǒng）方法對設備要求較高。

石墨烯薄膜（mó）生產方法

化學氣（qì）相沉積法即（CVD）是使用（yòng）含碳有機氣體為原料（liào）進行，氣相沉積製得（dé）石（shí）墨烯薄膜的方法。這是目前生產石墨烯薄膜有效的方法。這種方法製備的石墨烯具有（yǒu）麵積大和質量高的特點（diǎn），但現階段成本較高，工藝（yì）條件（jiàn）還需進（jìn）一（yī）步完（wán）善。由於石（shí）墨烯薄膜的厚度很薄，因此大麵積的石墨（mò）烯（xī）薄膜無法單獨使用，必須附（fù）著在宏觀器件中才有使用價值（zhí），例如觸摸屏（píng）、加熱器（qì）件等。

石墨烯主要（yào）分類


石墨烯單層石（shí）墨烯

單層石墨烯（Graphene）：指由一層以苯環結構（即六角形蜂巢（cháo）結（jié）構）周期性緊密堆積的碳原子構成的一種二維碳材料。

石墨烯雙層石墨（mò）烯

雙層石墨烯（xī）（Bilayeror double-layer graphene）：指由兩層以（yǐ）苯環結構（即六（liù）角形蜂巢結構（gòu））周期性緊密堆積的碳原子以不（bú）同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛（duǒ）構成的一種二維碳材料。

石墨烯少層石墨烯

少層石墨烯（xī）（Few-layer）：指由3-10層以（yǐ）苯環結構（即六角形蜂巢結構）周（zhōu）期性緊密堆積的碳原子以不同堆（duī）垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等（děng））堆垛構成的一種二維（wéi）碳材料。

石墨烯多層石墨烯

多層石墨烯又叫厚層石墨烯（multi-layergraphene）：指（zhǐ）厚度在10層以上10nm以下苯環結構（即六角（jiǎo）形蜂巢結構）周期性（xìng）緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛（duǒ）等）堆垛構成的一種（zhǒng）二維碳材料。

石墨（mò）烯主要應用


隨著批量化生產（chǎn）以及大尺寸等難題的逐（zhú）步突破，石墨（mò）烯的（de）產業（yè）化應用步伐正在（zài）加快，基於已有的研究成果，先實現商業化應（yīng）用的領域可能會（huì）是移動設備、航空航天、新能源電池領域。

石墨烯基礎研究

石墨烯對物理（lǐ）學基礎研究有著特（tè）殊意義，它使得一些此前隻能在理論上進行論證的量子效應可（kě）以通過實驗經行驗證。在二維的石墨烯中，電子的質量仿佛是不存在（zài）的，這種性質使石墨烯成為了（le）一種罕見（jiàn）的可用於研究相對論（lùn）量子力學的凝聚態物質——因為無質量的粒子必須以光速運動，從而必須用相對論（lùn）量子力學來描（miáo）述，這為理論物理學家們提供了一個（gè）嶄新的研究方向：一些原來需要在巨型粒子加速（sù）器中進行的試驗，如今可以在小型實驗室內用石墨烯進行。

石墨烯（xī）還（hái）具有所謂的量子霍爾效應，這種諾貝爾獎量級的重要效（xiào）應以往是要在極低溫下才能顯現的，石墨烯卻能將它帶到室（shì）溫（wēn）下。

石墨烯晶（jīng）體管

石墨（mò）烯可以用來製作（zuò）晶體管，由於石墨烯結構（gòu）的高（gāo）度穩定性，這種晶體管（guǎn）在接近單個原子的尺度上依（yī）然能穩定地工作。相（xiàng）比之下，目前勇挑大梁的以矽為材料的晶體管在10nm左右的尺度上就會失去穩定性；石墨烯中電子對外場的反應速度超快這（zhè）一特點，又使得（dé）由它製成的（de）晶體管可以達到極高的工（gōng）作頻率。例如IBM公司（sī）在2010年2月就已宣布將石墨烯晶體管的工作頻率提高到了100GHz，超過（guò）同等尺度的矽晶體管。

石墨烯柔性顯示屏

消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設備顯示屏的（de）發展趨勢



柔性顯（xiǎn）示屏

。柔性顯示未來（lái）市場廣闊，作（zuò）為基礎材料的石墨烯（xī）前景也被看好。韓國研究（jiū）人員製造（zào）出了又多層石墨烯和玻璃纖維聚酯片基（jī）底組成的柔性透明顯示屏（píng）。韓國三星公司和成均館大學的研究人員在一個（gè）1575px寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板（bǎn）上，製造（zào）出了一塊電視機大小的純石墨烯。他們表示，這（zhè）是迄今為止“塊頭”大的石墨烯塊。隨後，他們用該石（shí）墨烯塊製造出了一塊柔性觸摸屏（píng）。研究人員表示，從理論上來講（jiǎng），人們可以（yǐ）卷起智能手機，然後像鉛筆一樣將其別在而後（hòu）。

石墨烯新能源電池

新（xīn）能源（yuán）電（diàn）池也是石墨早商用的一大重要（yào）領域（yù）。美國麻省理工學院已成功研製出表麵附有石墨烯（xī）納米塗層的柔性光伏電池板（bǎn），可極大降低製造透明可變形（xíng）太陽能電（diàn）池的成本（běn），這種電池有可能（néng）在夜視鏡、相機等小型數碼設（shè）備中應（yīng）用。另（lìng）外，石墨烯超級電池的成功研發，也解決了（le）新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極（jí）大加速了新能源（yuán）電池產業的發展（zhǎn）。這一係列的研究成果為（wéi）石墨烯在新能源電池行業的應用鋪就了道路。

石墨烯航空航天

由於高導電性、高強度（dù）、超輕（qīng）薄等特性，石墨烯在航天軍工領域的應用優勢也是極為突出的。前不久（jiǔ）美國NASA開發出應（yīng）用（yòng）於（yú）航天領域的石墨烯傳感器，就能很（hěn）好的對地球高空（kōng）大氣層的微量元素、航天器上的結構性不足等進行檢測。而石（shí）墨烯在超輕型飛機材料等潛在應用上也將發揮更重要的作用。



石墨烯感光元件

2013年，新加坡南洋理（lǐ）工大學學者，研發出了一個以（yǐ）石墨烯作為（wéi）感光元件材質的新型感光元件，可望透過特殊結構，讓感光（guāng）能力比現有CMOS或（huò）CCD提高上千倍，而且損耗的能源也僅需原本10%。

這項技術將被（bèi）應用在監視器與衛星成像領域中，不久的將來可以應用（yòng）於照相機、智能手機等。

石墨烯（xī）複（fù）合材料

基於石墨烯的複合材料是石墨烯應用（yòng）領域中的重要研究（jiū）方向, 其在能量儲存、液（yè）晶器件、電子器件、生物材（cái）料、傳感材料和催化劑（jì）載體等領域展現出了優良性能, 具有廣闊的應用前景。目前石（shí）墨烯複合材料的研（yán）究主要集（jí）中在石墨烯聚合物複合材料和（hé）石墨烯基無機納米複合材料上，而隨著對石墨烯（xī）研（yán）究的深入, 石墨（mò）烯（xī）增強體在塊體金屬基複合材料中的應用也越來越受到人們的重視。