石墨烯的研究进展.docxVIP

?

?

石墨烯的研究进展

?

?

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】Thegrapheneisakindoftwo-dimensionalfreeatomcrystalwithexcellentconductivity，thermalconductivity，opticalandmechanicalproperties.Ithasbeenexploredandresearchedmuchinvarioussubjectsareas.Inthispaper，thestructure，propertiesandapplicationofgrapheneanditsadvantagesanddisadvantagesarediscussed.Paperputsforwardtheproposalforthegrapheneapplication.

【关键词】石墨烯；结构；性质；应用

【Keywords】graphene；structure；character；application

TB332【文献标志码】A1673-1069（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5000W·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2t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，