石墨烯:性质、生产与应用

石墨烯是一种由二维碳原子阵列组成的材料。原子排列在类似蜂巢结构的六角形晶格中。石墨烯可以认为是一种无限大的芳香族分子和单层碳石墨结构。

^{石墨烯的六边形结构。作者:Yikrazuul(讨论)[公共领域]，通过维基共享资源。}

发现与综合

石墨烯早在20世纪40年代就被预言存在，然而，直到2004年才首次合成单层石墨烯片。这是由安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)完成的，他们在2010年因这一发现获得了诺贝尔物理学奖。他们的合成方法被称为“透明胶带法”，非常简单。石墨烯单层可以通过机械剥离石墨来分离:用胶带将一层石墨从大块中剥离出来。

与此同时，其他生产石墨烯的方法也被开发出来。这些方法包括在液体中对石墨进行超声和离心以产生石墨烯分散体，从糖中合成(称为“Tang-Lau方法”)，通过化学气相沉积(CVD)还原碳化硅和外延生长。

石墨烯已经成为一种高度研究的材料，不仅因为其合成方法的发现，而且因为其令人印象深刻的性能。自2004年首次分离出这种物质以来，科学对它的兴趣显著增加，并将继续下去。

^{每年发表的包含关键词“石墨烯”的科学论文数量。数据收集自www.sciencedirect.com2018年11月2日。}

石墨烯通常以分散体、基板或氧化石墨烯粉末的形式处理。无论传递形式如何，材料本身具有许多出色的性能，包括电子、光学、热学和机械性能。石墨烯的许多非凡特性都来自于它只有一个原子层厚的事实。

机械性能

石墨烯是一种极轻的材料，平面密度为0.77 mg/m²．它还拥有所有已知材料中最坚硬的晶体结构。它的抗拉强度为125 GPa弹性模量为1.1 TPa，而弹性模量为200 GPa最常见的钢．断裂强度为42 N/m;因此石墨烯的机械强度是钢的100倍。

光学性质

石墨烯对可见光具有很高的透明度，透明度为97.7%。在确定石墨烯层数时利用了这一点，因为每层吸收2.3%的光。

电气性能

石墨烯具有很高的电子迁移率(2 × 105厘米)²/Vs)，使其成为室温下导电率最高的材料，导电率为10⁶S/m，片材电阻31 Ω/sq。

石墨烯的价带和导带之间有少量重叠。正因为如此，它既被归类为半金属又被归类为零带隙半导体。导电带中存在一定浓度的电子，价带中存在空穴，即使在绝对零度温度下也是如此(同时考虑到其无间隙电子结构，这意味着电子可以俯冲穿过导电带)，这是石墨烯被归类为半金属材料的原因，也是其高导电性的起源。

单层石墨烯的导电性是几层石墨烯的1万倍。

热性能

石墨烯的热导率为5300 W/mK，是铜的导热系数．然而，当在非晶态材料中支撑时，其热导率下降到500-600 W/mK左右。

通过功能化调优属性

石墨烯的性质可以通过表面功能化来改变。这涉及到将氧或其他化学官能团添加到单层分子中。石墨烯的功能化可以调整性能，包括导电性、导热性和单层在溶液中处理和防止团聚的能力。石墨烯的许多应用都要求其功能化。最常见的一种化学改性石墨烯是氧化石墨烯。

石墨烯油墨、层和粉末的性质

由于其二维性质，石墨烯既可以作为基片上的层，也可以作为分散体(或墨水)，还可以以氧化石墨烯粉末的形式提供。

石墨烯的墨水，当应用于表面时，会产生导电薄膜，片电阻为15 W/sq。

单层石墨烯也可以通过将其从可移动聚合物基板转移而添加到另一所需基板上。单层石墨烯通过化学气相沉积(CVD)制备。

^{简单转移单层石墨烯从聚合物基板转移到新基板的过程。}

PET薄膜上的石墨烯也是可用的。在这种情况下，高质量的单层石墨烯通过CVD生长在188 μm厚的PET衬底上，尺寸高达600 mm × 500 mm。这也可以转移到一个新的基板。

^{单层石墨烯的透射电子显微镜图像。}

最后，石墨烯还可以以氧化石墨烯粉．在这种情况下，粉末以水分散体存在，平均粒径为285 μm，浓度为4.0 mg/ml, pH值为2.20-2.50。

石墨烯生产

高质量石墨烯通常通过化学气相沉积(CVD)生长。这是生产高质量石墨烯最常见的方法之一。在此过程中，气体反应物在反应之前被引入反应室，以在基底表面形成所需材料的薄膜。

在通过CVD形成石墨烯的过程中，分为两个步骤:碳的生成和石墨烯结构的形成。

在第一步中，碳原子通过热解(惰性气氛中的热分解)产生。这是在基材表面进行的，以防止碳簇或烟灰的形成。所使用的衬底通常是金属催化剂。

在第二步中，碳原子和催化剂基体之间发生反应，形成石墨烯。

石墨烯的应用

尽管石墨烯是最近才被发现的，但它已经在制造许多不同的设备中进行了广泛的测试，一些处于开发的早期阶段，另一些已经上市。

由于其高透明度和高导电性，石墨烯作为一种透明导体非常有吸引力，它可能是一种对环境危害较小的氧化铟锡(ITO)替代品。由于其灵活性，石墨烯也可以用于柔性显示器。

石墨烯的电学特性也被用于制造场效应晶体管(FET)、光电探测器、光伏、纳米机电系统(NEMS)、柔性超级电容器和柔性锂离子电池。

除了电学特性外，它的化学和热特性还可用于应变传感器、气体传感器、温度传感器、生物传感器和流量传感器。智能手机制造商华为已经开始招聘石墨烯在智能手机中的应用作为集成电路的冷却装置。

石墨烯的力学性能也被用来制造基于聚合物的石墨烯复合材料和石墨烯纤维。它也被融入橡胶中提高机械性能。

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