２０１５年第２期 内蒙古石油化工 １７ 石墨烯的性能及应用研究 曹海华，康 坚 （内蒙古自治区石油化工监督检验研究院，内蒙古呼和浩特０１００１０） 摘要：碳材料是地球上最普遍也是最奇妙的一种材料，它可以形成世界上最硬的金刚石，也可以 形成最软的石墨，人类一直不断深入研究着．自２００４年被Ｇｅｌｍ等人发现以来，石墨烯因其独特的结构 和性质就一直是物理学和材料学领域的研究热点。它是目前世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚。与 所有其他已知材料不同，石墨烯高度稳定，且作为热导体，石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。 因此，石墨烯开始成为备受瞩目的国际前沿和热点。本文首先概述了石墨烯的结构及性能，然后针对其 在复合材料、光电功能材料与器件以及其他领域的应用进行重点阐述。 关键词：石墨烯；性能；应用 中图分类号：ＴＨＩ ４５．１＋３ １石墨烯的结构及性能 １．１ 石墨烯的结构 文献标识码：Ａ 文章编号：１ｏ０６～７９８１（２０１５）０２—０Ｏ１７一Ｏ２ 特性研究发现，要施加５５牛顿的压力才能使１微米 长的石墨烯断裂，如果物理学家们能制取出厚皮棚 石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）的命名来自英文的ｇｒａｐｈｉｔｅ （石墨）＋－－ｅＩｌｅ（烯类结尾），石墨烯的碳原子排列 当于普通食品塑料包装袋的（厚度约１００纳米）石墨 烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯 与石墨的单原子层镭同，它由碳原子以ｓｐ 杂化连接 的呈蜂巢晶格（ｈｏｎｅｙｃｏｎ＇ｌｂ ｃｒｙｓｔａｌ １ａｔｔｉｃｅ）排列的构 成的新型单原子层二维原子晶体。其基本结构单元 为有机材料中最稳定的苯六元环，石墨烯可想象为 断。换句话说，如果月ｊ石墨烯制成包装袋．那么它将 能承受大约两吨重的物品。 石墨烯导热性好，导热系数高达５３００ Ｗ・Ⅱ … ・Ｋ一，常温下其载流子迁移率达１５０００ｃｍ ・Ｖ～ 由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网，如图１ 所示。 ・Ｓ ，是引前已知的具有最高迁移率的锑化钢材料 的两倍，石墨烯的功能化及其棚关应用超过商用硅 片迁移率的ｌＯ倍以上，在特定条件下（如低温骤冷 等），其迁移率甚至可达２５００００ｃｍ ・Ｖ１・ｓ一 ；其 热导率可达５０００Ｗ・ｍ－ ・Ｋ＿。，是金刚石的３倍． 为目前世上电阻率最小的材料。 石撂烯具有室温址子霍尔效应及室温铁磁性等 特殊性质．与碳纳米管相比，石畏烯的主要性能指 标均与之相当甚至更好，并且避免了碳纳米管研究 图１石墨烯的基本结构示意图 和应媚中难以逾越的手性控制、金属型和半导体型 分离以及催化剂杂质等难题。平面的石墨烯品片更 １．２石墨烯的性能 石墨烯是世界上最薄却也是最坚硬的二维材 料，其厚度仅为０．３５ ｎｍ 这种特殊结构蕴含了丰富 容易使用常规加工技术，为制作各种纳米器件骷米 了极大的灵活性，甚至可能在一片石墨烯上直接加 而新奇的物理现象，使石墨烯表现出许多优异性质。 石墨烯是人类已知强度最高的物质，达１３０ ＧＰａ，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要 工出各种半导体器件和互连线，从而获得具有ｍ人 应用价值的全碳集成电路。 ２石墨烯的应用 高上１００倍。哥伦比亚大学的物理学家对其的机械 由于石墨烯优良的机械和光电性质，结合其特 收稿日期：２Ｏ【４—１ｌ一２５ １８ 内蒙古石油化工 ２０１５年第２期 殊的单原子层平面二维结构及其高比表面积，可以 制备基于石墨烯的各种柔性电子器件和功能复合材 料。由于石墨烯具有性能优异、成本低廉、可加工性 好等众多优点，人们普遍预测石墨烯在电子、信息、 能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景。 ２．１复合材料 石墨烯的比表面积理论值极大，在高温环境下 的稳定性极佳，具备出色的光电性能，单原子层石墨 烯的热传导性能以及机械强度超过了一般的三维碳 材料，作为电子受体，石墨烯可以用于催化剂的载 体，所以综合利用这些性质的方法就是生产制造石 墨烯复合材料。许多研究人员已开展石墨烯与非金 属、金属、聚合物复合材料的研究，且很多科学家预 测，石墨烯最早的实际应用可能会在聚合物复合材 料领域。目前的技术己经可以大量制备微米级的石 墨粉晶体，以此为原料，可能会迅速实现低成本的石 墨烯复合材料的制备。 ２．２光电功能材料与器件 新型光电功能材料与器件的开发对电子、信息 及通讯等领域的发展有极大的促进作用。其中，非线 性光学材料在图像处理、光开关、光学存储及人员和 器件保护等诸多领域有重要的应用前景。好的非线 性光学材料通常具有大的偶极矩和 体系等特点， 而石墨烯的结构特征正好符合这些要求。Ｃｈｅｎ工作 组设计并合成的石墨烯材料，通过测试研究，获得了 性能比Ｃ６０（现有公认的最好的有机非线性光学材 料之一）更加优秀的非线性光学纳米杂化材料，并且 这类材料具有优良的稳定性和溶液可处理性，可望 在特种光学器件领域获得应用。 、 石墨烯的电阻率极低，电子迁移的速度极快，极 可能成为组建纳米电子器件的最佳材料，下一代电 子器件的替代品．被期待发展出更薄、更小，消耗的 能量更低，导电速度更快的新一代电子元件或晶体 管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也 适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电 池。利用石墨烯加入电池电极材料中可以大大提高 充电效率，并且提高电池容量。自我装配的多层石墨 烯片不仅是锂空气电池的理想设计，也可以应用于 许多其他潜在的能源存储领域如超级电容器、电磁 炮等。此外，新型石墨烯材料将不依赖于铂或其他贵 金属，可有效降低成本和对环境的影响。 ２．３其它应用 随着石墨烯低成本，大规模制备技术的发展．许 多应用也相继出现，并越来越受到重视。石墨烯片层 能回应单一气体分子，使它成为感应器中具有吸引 力的侦测器材料。研究表明，石墨烯也具有超导性， 并且可能比Ｃ６０材料和碳纳米管（ＣＮＴ）的超导性 能更好，超导温度更高，利用该性能有望制得超导材 料。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法 生长，而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可 以用来做绷带，食晶包装甚至抗菌Ｔ恤，石墨烯还可 用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造 出超坚韧的防弹衣，此外，由于原子尺度的厚度，优 异的电学性质，超精细相互作用的缺失以及电学性 能对外场敏感等特性，石墨烯还可望在场发射材料、 量子计算机以及储氢等其他领域得到广泛的应川， 同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得 新突破。 ３结束语 作为２ｌ世纪最具应用前景的新材料之～。 避 烯的每项技术发明都给该题材注入了新的生命力， 总之，单原子层石墨烯具有许多不同于常规材料的 特殊性质，在物理理论研究和工业领域尤其是电＿ｆ 技术方面都具有广阔的应用空间。石墨烯的奇特性 质还有很多有待发现，在不久的将来石墨烯材料制 作的器件可能将大大改善人们的生产和生活方式。 可以说，石墨烯的出现不仅给科学家们提供了一个 充满魅力与无限可能的研究对象．更让我们对 ｊ 允 满了期待，也许在不久的将来，石墨烯就会为我们搭 建起更加便捷与美好的生活。 ［参考文献］ ［１３ 黄毅，陈永胜．石墨烯的功能化及其相关应用 ［Ｊ］．中国科学（】 辑：化学），２００９，９（３９）：８８７ ～８９６． ［２］ 黄桂荣，陈建．石墨烯的合成与应用［Ｊ］．碳素 技术，２００９，１（２８）：３５～３９． ［３］ 郭鹏．石墨烯的制备、组装及应用研究［Ｄ］．北 京：北京工业大学，２０１０． ［４３ 陈宽．石墨烯制备及其载铂催化剂性能的研究 ［Ｄ】．天津：天津大学，２０１２． ［５］彦梅，王晓东．含炔基有机硅聚物的光谱表征． 光谱学与光谱表征［Ｊ］．２００８，２８（１０）：３５３～ ３５ ．