石墨烯的前世今生以及特性在现实中的应用

　　石墨烯（英文名Graphene）是一种由C 原子形成的蜂窝状的准二维结构，是C的另外一种同素异形体。例如，在计算石墨和碳纳米管特性时，通常都是从石墨烯这个基本结构单元出发的。

　　

　　石墨烯的来源

　　实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨。1mm厚的石墨大约包含300万层石墨烯。

　　

　　石墨烯的发现历程

　　碳——自然界万事万物中最重要的物质，也是构成有机生命体的只要元素。碳材料包括活性炭、金刚石、石墨。

　　随着纳米技术的发展，1985年由60个碳原子构成“足球”分子C60（富勒烯）被发现，1991年由石墨层卷曲而成的一维管状纳米结构：碳纳米管被发现。

　　2004年英国曼彻斯特大学两位科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov在用机械剥离发制备出石墨烯

　

　　其实早在1934年L.D.Landau和R.E.Peierls就指出准二维晶体材料由于其自身的热力学不稳定性，在常温常温下会迅速分解，1966年Mermin-Wagner理论指出表明起伏会破坏二维晶体的长程有序，因此二维晶体石墨烯只是作为研究碳质材料的理论模型。

　　美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Rodney Rouff曾尝试着将石墨在硅片上摩擦，并深信采用这个简单的办法可制石墨烯，但他没有对产物做进一步的检测

　　美国哥伦比亚大学的Philip Kin利用石墨制作了一个“纳米铅笔”，在一个表面上花写，并得到了石墨薄片，成熟最低可达0层

　　可以说，他们里石墨烯的发现只有一步之遥，诺贝尔奖的史册极大可能会因为他们的进一步工作而改写。但命运之神最终没有眷顾他们。

　　石墨烯的结构与性能

　　石墨烯是指仅有一个原子尺寸厚的单层石墨层片，由sp杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳-碳键长0.142nm。每个晶格内有三个键，连接十分牢固，形成了稳定的六边形状。

　　形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构，厚度为0.35nm，约为头发直径的二十万分之一。

　　石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间的连接极其柔韧。受到外力时，碳原子面发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。　　

　　光学性质

　　石墨烯具有优异的光学性质。理论和实验结构表明，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，即透光率为97.7%。下图，从基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率一次相差2.3%，因此可根据石墨烯薄膜的可见光透射率来估算其层数。即石墨烯的透光性与厚度有关，与波长无关。

　　

　　电学性能

　　石墨烯结构稳定，各碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，无碳原子缺失情况，也就保持了结构稳定，使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射，迁移率可达200000cm2/（v*s），约为硅中电子迁移率的140倍，其电导率可达104s/m，是室温下导电性最佳的材料。因受温度和掺杂效应影响很小，低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的一大显著优势。　

　

　　力学性能

　　石墨烯其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa。石墨烯的强度极限为42N/m2，是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构，从而保证了石墨烯制品的使用稳定性，也有助于促进石墨烯增强复合材料和机械材料的研究应用。

　　热学性能

　　石墨烯的理论比表面积可达2630m2/g，室温热导率约为5300 w/（m·k），高于碳纳米管和金刚石，是室温下铜的热导率的10倍多。对于一些电子设备，频率越高，热量也越高，如果导热性达不到要求，频率提升就会受到限制，填充的信号也就有限。导热率高决定了石墨烯适合于高频电路。

　　石墨烯的应用

　　手机中的应用

　　2013年2月5日，诺基亚正式宣布成为石墨烯旗舰联盟的一员，并从欧盟的未来与新兴技术组织获得了13.5亿美元的研究经费，该经费将用于石墨烯材料的研究。诺基亚对石墨烯材料的应用设想为：

　　1、提升收的性能、降低成本，例如取代在液晶显示器触控面板中广泛使用的透明ITO导电层，以及用于其他高频电子元器件中；

　　2、在未来的概念手机设计中，将石墨烯应用于线路板、柔性材料以及一体化多点感应平台。石墨烯使触摸屏包含一层50纳米厚的DLC防挂材料、一层700纳米厚的局对二甲苯涂层、一层200纳米厚的石墨烯电层、一层200微米厚的PET材料，使得整个触摸屏厚度仅为0.2毫米。

　　代替硅生产超级计算机

　　石墨烯是已知导电性最出色的材料，这种特性尤其适合高频电路，高频电路是现在电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制，由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。