杨盛昌

【摘 要】石墨烯是一种二维自由态原子晶体，具有极佳的导电特性、导热特性、光学特性、机械特性，在各个不同的学科领域得到了大量探索和研究。论文阐述了石墨烯的结构、特性、应用进展以及石墨烯具有的优缺点，并对石墨烯的应用提出了建议。

【Abstract】The graphene is a kind of two-dimensional free atom crystal with excellent conductivity， thermal conductivity， optical and mechanical properties. It has been explored and researched much in various subjects areas. In this paper， the structure， properties and application of graphene and its advantages and disadvantages are discussed. Paper puts forward the proposal for the graphene application.

【关键词】石墨烯；结构；性质；应用

【Keywords】graphene； structure； character； application

【中图分类号】TB332 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）03-0086-02

1 引言

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是当前发现的唯一一种二维自由态原子晶体，是除金刚石以外其他碳晶体的基本结构单元，具有许多极佳的电子及机械性能，是当前使用的材料中最薄、强度最大、导电和导热性能最好的一种纳米材料[1]。近年来，科学界对石墨烯的研究逐渐从石墨烯的制备研究转变到对石墨烯的应用研究，并对石墨烯在光电、医学、计算机晶体管等领域都进行了大量的研究，取得了较好的成果。

2 石墨烯的结构及特性

2.1 结构

石墨烯是一种单原子层的碳二维纳米材料，其点阵结构是由碳六元环组成的二维蜂窝状，是构成其他石墨材料的基本单元，石墨烯主要分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石

墨烯、多层或厚层石墨烯4个类别。石墨烯中每个碳原子

之间都以很强的共价σ键相互结合，且相互成为120°的角度，其C—C键长大约为0.142nm，构成了特有的六角晶格，这种特殊的成键方式和结构使石墨烯成为史上最牢固的材料之一[2]。

2.2 导电特性

石墨烯原子之间具有极强的相互作用力，在室温条件下，即使碳原子之间发生相互碰撞和挤压，石墨烯中的电子在轨道中移动时也不会发生散射，其电子受到的干扰也非常小，其电子迁移率可达到2×105cm2/V·s，约为硅中电子迁移率的140倍，砷化镓的20倍，温度稳定性也较高，电导率可达108Ω/m，电阻约为31Ω/sq，比铜或银更低，是室温下导电最好的材料。因此，石墨烯具有较好的导电性能。

2.3 导热特性

石墨烯的导热效应在高温时由光子传导，在低温时由其中的弹道传输所决定。其热导率室温下是5000 W·m-1·K-1，是硅的36倍，砷化镓的20倍，是铜在室温下的十倍多。因此，石墨烯的导热性是目前已知材料中最高的，这使石墨烯在许多微热电器件等领域有非常广阔的应用前景。

2.4 光学特性

石墨烯有着极高的透明度。线性光学性质：单层石墨烯的吸光率很高，对从可见光到太赫兹宽波段每层吸收2.3%。非线性光学性质：当入射光的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和。这些特性使得石墨烯可以用来做被动锁模激光器。

2.5 机械特性

目前在发现的强度、硬度较高的物质材料中，石墨烯的强度是最大的，比钻石和钢铁还要强硬100多倍。哥伦比亚大学对石墨烯材料强度、硬度的研究发现，作为实验式样的石墨烯微粒在开始断裂前，其每100纳米距离上可以承受的压力高达2.9微牛。这种结果表明，要使1米长的石墨烯断裂，需要施加55牛顿的压力。也就是说，如果用石墨烯材料制备的包装袋，其能承受的最高压力为2 t的重压，才能使石墨烯材料制备成的包装袋断开。

3应用范围

3.1 作为晶体管

石墨烯中电子的传导速率为8×105m/s，虽然比光的传播速度慢，但比一般半导体中电子传导速度快，比硅晶片的传导速度快很多。利用石墨烯的这一特点，可以用来制备晶体管，制备的晶体管具有体积小、成本低、灵敏、快速、节能的优点。

3.2 作为传感器

石墨烯可用来制备传感器，其中一个重要原因是，其独特的二维层状结构具有比表面积大的特点，而大的比表面积非常有利于制备高灵敏度的传感器；另外一个重要的原因是，其具有独特的电子结构，当一些气体分子被吸附在石墨烯上时，石墨烯的电子结构会发生改变，导致其导电性能发生很大的快速变化，因此石墨烯可以应用于制备气体分子传感器或探测器。

3.3 作为超级电容器

石墨烯具有比表面积大和电导率高的优点，不需要像多孔碳材料電极那样需要依赖孔的分布才能用来制备超级电容器，这种优越的特点使石墨烯成为极佳的电极材料。目前的研究也表明，利用石墨烯材料生产的超级电容器，其功率密度能够达到10 kW/kg，能量密度能够达到28.5 Wh/kg，最大比电容能够达到205 F/g，而且制成的这种超级电容器经过1000多次的循环充放电测试后还能保留90%的比电容，循环使用的寿命较长。

3.4 作为超导材料

在两个超导电极中间连接石墨烯的方法来研究约瑟夫森效应，发现石墨烯中有超电流通过，而且当处于零电荷密度时也有超电流通过，这种现象说明石墨烯具有非常好的超导性。

3.5 作为能源储存

石墨烯具有较小的质量、较高的化学稳定性和较大的比表面积的优势，这种优势可以使其成为最佳的储氢材料。希臘大学的研究表明石墨烯材料掺杂钾原子时，石墨烯柱的储氢量可达到6.1%，使其成为性能最佳的能源储备材料。

3.6 作为催化剂

石墨烯是从石墨中分离出来的，具有碳材料的特性，能作为一种催化剂载体。但是石墨烯本身又有自身的特性，具有单原子层结构和导电特性的优势，能制备出高质量的燃料电池催化剂，也能高效吸附抗肿瘤的药物，是一种极好的催化剂，具有广发的应用前景。

3.7 作为复合材料

石墨烯具有独特的物理、化学和力学性能优势，其在新型的复合材料中得到了很好的应用。相关的研究结果也发现，以石墨烯作为基础材料制备的聚苯胺石墨烯复合物，其比电容能够达到1046F/g，远大于纯聚苯胺115F/g的比电容。许多研究结果也发现，在复合材料中加入了石墨烯，复合材料的多功能性得到了大大的提高，这为复合材料的发展开阔了最新的道路。

4 石墨烯的应用存在的问题

4.1 制备困难

石墨烯的制备精度直接决定了成品的质量。由于存在不同种类的石墨烯，而在制备不同领域的材料时，需要加入特定的石墨烯材料，例如，在制造电子设备时需要一种石墨烯材料，而在制造电池设备时，需要另外一种完全不相同的石墨烯材料。这种由于需要制备不同类型的石墨烯材料用于不同的领域，限制了石墨烯大规模的工业化生产，且在石墨烯的制备过程中，无法保证生产出来的都是完整的六元环，其中还会夹杂五元环和七元环，大大限制了石墨烯的规模化生产，成为石墨烯发展所面临的最大瓶颈。

4.2 石墨烯的相关产品具有潜在的环境风险

石墨烯的相关产品对人体的毒理学尚不明确，研究发现，石墨烯的衍生产品“氧化石墨烯纳米颗粒”如果处理不当排入水中，便会极易扩散，这是否对人体和牲畜造成危害，缺乏相关的环评工作对其影响进行评估[3]。

4.3 石墨烯与金属电极的接触点电阻很难对付

传统的半导体晶体管能控制电源的开和关两种状态，但石墨烯过于优秀的导电性能使得其控制电源只能开不能关，现有的技术尚不能解决这一难题。

5 结论

石墨烯从证实存在到今天只有短短十几年时间，但是由于其优异的导电特性、导热特性、光学特性、机械特性等，石墨烯成为了各领域相关机构和科研人员着重研究的热点问题，在各方面得到了广泛的关注。但是石墨烯材料还处于承前启后的发展阶段，需要发扬其优势的同时，还需解决石墨烯制备困难，相关产品具有潜在的环境风险、与金属电极的接触点电阻很难对付的问题，其制备及其应用，还需要大量的相关研究工作，还需科研工作者进行深度的挖掘、分析及解决。

【参考文献】

【1】张利萍.石墨烯研究进展和展望[J].内蒙过石油化工，2016（Z1）：11.

【2】谈梓贤.石墨烯的未来在哪里——浅谈其制备及应用[J].科技尚品，2016（1）：66-67.

【3】贾子龙.石墨烯的研究进展和展望[J].化工技术与开发，2016，45（3）：29-32.