石墨烯

基本介绍

石墨烯（Graphene）是碳的同素异形体，碳原子以sp²杂化键合形成单层六边形 蜂窝晶格石墨烯。 利用石墨烯这种晶体结构可以构建富勒烯（C60）、石墨烯量子点，碳纳米管、 纳米带、多壁碳纳米管和纳米角。 石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能 源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

主要分类

单层石墨烯Graphene指由一层以苯环 结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

双层石墨烯Bilayer or double-layer graphene指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧 密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛、AA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

少层石墨烯Few-layer指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密 堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

多层石墨烯又叫厚层石墨烯multi-layer graphene指厚度在10层以上10nm以下苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的 碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛、ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

应用前景

1 用于基础研究

石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。在二维的石墨烯中，电子的质量仿佛是不存在的，这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动，从而必须用相对论量子力学来描述，这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向：一些原 来需要在巨型粒子加速器中进行的试验，可以在小型实验室内用石墨烯进行。

2 传感器

石墨烯可以做成化学传感器，这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的，根据部分学者的研究可知，石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。 石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。 石墨烯是电化学生物传感器的理 想材料，石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。

红外光束激发等离子体石墨烯传感器示意图

3 晶体管

石墨烯可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种 晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下，目前以硅为 材料的晶体管在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性；石墨烯中电子对外场的 反应速度超快这一特点，又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。例如IBM公司在2 010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz，超过同等尺度的硅晶体管。 

4 柔性显示屏

柔性显示屏

柔性显示未来市场广阔，作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国研究人员首次制造出了由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上，制造出了一 块电视机大小的纯石墨烯。随后，他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。

5 新能源电池

石墨烯基超级电容器结构与不同电压下的石墨烯理论能量密度

新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车 电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。

6 海水淡化

石墨烯过滤器比其他海水淡化技术要使用的多。水环境中的氧化石墨烯薄膜与水亲密接触后，可形成约0.9纳米宽的通道，小于这一尺寸的离子或分子可以快速通过。通过机械手 段进一步压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸，控制孔径大小，能高效过滤海水中的盐份。

7 储氢材料

石墨烯具有质量轻、高化学稳定性和高比表面积等优 点，使之成为储氢材料的最佳候选者。 

储氢材料

8 航空航天

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。2014年，美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器，就能很好的对地球高空 大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。

9 感光元件

以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件，可望透过特殊结构，让感光能力比现有CMOS或CCD提高上千倍，而且损耗的能源也仅需原本 10%。可应用在监视器与卫星成像领域中，可以应用于照相机、智能手机等。 

10 复合材料

复合材料

基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向，其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能，具有广阔的应用前景。目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上，而随着对石墨烯研究的深入，石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视。 石墨烯制成的多功能聚合物 复合材料、高强度多孔陶瓷材料，增强了复合材料的许多特殊性能。 

11 生物

石墨烯被用来加速人类骨髓间充质干细胞的成骨分化 ，同时也被用来制造碳化硅上外延石墨烯的生物传感器。同时石墨烯可以作为一个神经接口电极，而不会改变或破坏性能，如信号强度或疤痕组织的形成。由于具有柔韧性、生物相容性和导电性等特性，石墨烯电极在体内比钨或硅电极稳定得多。  石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长十分有效，而且不会伤害到人体细胞。 

12 超润滑作用

在干燥环境下，石墨烯的典型摩擦系数在0.15-0.2之间，磨损率小于10-9 mm3/（m N）。在潮湿环境下，石墨烯的典型摩擦系数在0.15-0.2之间，磨损率小于10-9 mm3/（m N）。石墨烯作为钢质工件的保护层时，摩擦力比粉状石墨减少了4-5倍，磨损量降低了4个数量级[1, 3]。因此石墨烯可以完全替代已经广泛添加到齿轮和轴承的润滑油的粉状石墨，以降低工 作过程中传动系统的摩擦力，减少磨损，增强摩擦和磨损控制保护涂层的性能。

石墨烯产业化还处于初期阶段，一些应用还不足以体现出石墨烯的多种“理想”性能，而世界上很多科研人员正在探索“杀手锏级”的 应用，未来在检测及认证方面需要面对太多挑战，有待在手段及方法上不断创新。