石墨烯（Graphene）

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簡介

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料[1]。

作為一種碳的同素異形體，石墨烯可被視為其他碳同素異形體的基本單元：石墨，木炭，碳納米管和富勒烯。

完美的石墨烯是二維的，它只包括六邊形(等角六邊形)；如果有五邊形和七邊形存在，則會構成石墨烯的缺陷。

發現歷史

石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在[1]，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，偶然地發現了一種簡單易行的製備石墨烯的新方法。他們將石墨片放置在塑料膠帶中， 摺疊膠帶粘住石墨薄片的兩側，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重複這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構成——他們製得了石墨烯。兩人也因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎[2]。

重要性質

力學：石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料[3]。

光學：單層石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光[3]。

導熱：石墨烯的導熱係數高達5300 W/m·K，高於納米碳管和金剛石，

電學：常溫下其電子遷移率超過15000 ，又比納米碳管或硅晶體高，電阻率只約 ，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料[3]。

穩定性：石墨烯具有極好的熱穩定性和化學穩定性。石墨烯熔點高達3652攝氏度，耐強酸強鹼等惡劣環境，具有極好的穩定性。

製備方法

目前採用的製備石墨烯的方法可分為物理法和化學法兩大類，其中以如下幾種方法最具有代表性[1]：

（1）撕膠帶法/輕微摩擦法

最普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。即海姆用這種方法。

（2）碳化硅表面外延生長

該法是通過加熱單晶碳化硅脫除硅，在單晶（0001）面上分解出石墨烯片層。

（3）金屬表面生長

取向附生法是利用生長基質原子結構「種」出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然後冷卻，冷卻到850℃後，之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子「孤島」布滿了整個基質表面，最終它們可長成完整的一層石墨烯。

（4）氧化減薄石墨片法

原理為使用強氧化劑，於石墨的層狀結構中間進行插層氧化，使層與層之間存在帶負電的氧化官能基，克服石墨層間的范德瓦力，並通過水分子的插層，大幅增加層間距離，使氧化石墨烯的剝離更容易。氧化石墨烯則可進一步通過使用還原劑，製備出石墨烯。

（5）切割碳納米管法

切割碳納米管也是製造石墨烯帶的正在試驗中的方法。其中一種方法用過錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多層壁碳納米管。另外一種方法使用等離子體刻蝕一部分嵌入於聚集物的納米管。

潛在的應用

石墨烯因其獨特的物理化學特性，在諸多領域都有著巨大的應用潛力包括[1,3,4]：

氣體感測器：石墨烯獨特的二維結構和巨大的表面積，使它對周圍的環境非常敏感，即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。

集成電路：石墨烯具有高的載子遷移率以及低雜訊，允許它被用作在場效應晶體管的溝道。2005年，科學家們發現石墨烯具有10倍於商用矽片的高載流子遷移率（約10 am /V·s），並且受溫度和摻雜效應的影響很小。

電池與超級電容器：由於石墨烯具有特高的比表面積，石墨烯可以用於電池或超級電容器的導電電極，從而提升器件的整體性能。

抗癌治療：石墨烯的一種衍生物，被認為可以應用在癌症的治療上。其原理是該材料能夠辨識癌細胞與正常細胞電子密度的不同，進而附著在癌幹細胞上，使其能被標靶藥物所作用，達到抑止腫瘤遠端轉移的效果。

參考文獻

[1] Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V., Jiang, D. A., Zhang, Y., Dubonos, S. V., ... & Firsov, A. A. (2004). Electric field effect in atomically thin carbon films.science,306(5696), 666-669.

[2]The Nobel Prize in Physics 2010

[3] Geim, A. K., & Novoselov, K. S. (2010). The rise of graphene. InNanoscience and Technology: A Collection of Reviews from Nature Journals(pp. 11-19).

[4]Stankovich, S., Dikin, D. A., Dommett, G. H., Kohlhaas, K. M., Zimney, E. J., Stach, E. A., ... & Ruoff, R. S. (2006). Graphene-based composite materials.nature,442(7100), 282.