石墨稀簡(jiǎn)介

不存在石墨稀的概念，只有石墨烯，本詞條為無意義的錯(cuò)誤詞條 例證是國(guó)家建設(shè)的CNKI中國(guó)知網(wǎng)上搜索"石墨稀"全部結(jié)果重新指向"石墨烯"。

石墨烯是由碳原子構(gòu)成的蜂巢形結(jié)構(gòu)，是一個(gè)世紀(jì)以來研發(fā)的最重要的新材料。石墨 烯由石墨制成，后者是一種灰色礦物，儲(chǔ)量極高，主要產(chǎn)自智利、印度和加拿大等國(guó)。

石墨烯的命名來自英文的graphite(石墨) + -ene(烯類結(jié)尾)，也可稱為"單層石墨"。石墨烯被認(rèn)為是平面多環(huán)芳香烴原子晶體。其碳原子排列與石墨的單原子層雷同，是碳原子以sp2混成軌域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列構(gòu)成的單層二維晶體。石墨烯可想像為由碳原子和其共價(jià)鍵所形成的原子尺寸網(wǎng)。

石墨烯卷成圓桶形可以用為碳納米管;另外石墨烯還被做成彈道晶體管(ballistic transistor)并且吸引了大批科學(xué)家的興趣 。在2006年3月，佐治亞理工學(xué)院研究員宣布, 他們成功地制造了石墨烯平面場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并觀測(cè)到了量子干涉效應(yīng)，并基于此結(jié)果，研究出以石墨烯為基材的電路。

石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它是已知材料中最薄的一種，質(zhì)料非常牢固堅(jiān)硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。石墨烯的原子尺寸結(jié)構(gòu)非常特殊，必須用量子場(chǎng)論才能描繪。

石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán), 是目前最理想的二維納米材料.。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元。

石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳碳鍵(carbon-carbon bond)僅為1.42Å。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時(shí)，碳原子面會(huì)彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小。

石墨烯是構(gòu)成下列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(huì)構(gòu)成石墨烯的缺陷。12個(gè)五角形石墨烯會(huì)共同形成富勒烯。

石墨烯的合成方法主要有兩種:機(jī)械方法和化學(xué)方法。機(jī)械方法包括微機(jī)械分離法、取向附生法和加熱SiC的方法 ; 化學(xué)方法是化學(xué)還原法與化學(xué)解理法。

微機(jī)械分離法

最普通的是微機(jī)械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。2004年Novoselovt等用這種方法制備出了單層石墨烯，并可以在外界環(huán)境下穩(wěn)定存在。典型制備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進(jìn)行摩擦，體相石墨的表面會(huì)產(chǎn)生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。 但缺點(diǎn)是此法是利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地制造長(zhǎng)度足供應(yīng)用的石墨薄片樣本。

取向附生法-晶膜生長(zhǎng)

取向附生法是利用生長(zhǎng)基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)"種"出石墨烯，首先讓碳原子在 1 1 5 0 ℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850℃后,之前吸收的大量碳原子就會(huì)浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子" 孤島" 布滿了整個(gè)基質(zhì)表面，最終它們可長(zhǎng)成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋 8 0 %后，第二層開始生長(zhǎng)。底層的石墨烯會(huì)與釕產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現(xiàn)令人滿意。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會(huì)影 響碳層的特性。另外Peter W.Sutter 等使用的基質(zhì)是稀有金屬釕。

加熱 SiC法

該法是通過加熱單晶6H-SiC脫除Si，在單晶(0001) 面上分解出石墨烯片層。具體過程是:將經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至1250~1450℃后恒溫1min~20min，從而形成極薄的石墨層，經(jīng)過幾年的探索，Berger等人已經(jīng)能可控地制備出單層或是多層石墨烯。其厚度由加熱溫度決定，制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。

包信和等開發(fā)了一條以商品化碳化硅顆粒為原料，通過高溫裂解規(guī)模制備高品質(zhì)無支持(Free standing)石墨烯材料的新途徑。通過對(duì)原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以及氣氛的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)控。這是一種非常新穎、對(duì)實(shí)現(xiàn)石墨烯的實(shí)際應(yīng)用非常重要的制備方法。

化學(xué)還原法

化學(xué)還原法是將氧化石墨與水以1 mg/mL的 比例混合， 用超聲波振蕩至溶液清晰無顆粒狀物質(zhì)，加入適量肼在1 0 0℃回流2 4 h ，產(chǎn)生黑色顆粒狀沉淀，過濾、烘干即得石墨烯。Sasha Stankovich 等利用化學(xué)分散法制得厚度為1 nm左右的石墨烯。

化學(xué)解理法

化學(xué)解理法是將氧化石墨通過熱還原的方法制備石墨烯的方法，氧化石墨層間的含氧官能團(tuán)在一定溫度下發(fā)生反應(yīng)，迅速放出氣體，使得氧化石墨層被還原的同時(shí)解理開，得到石墨烯。這是一種重要的制備石墨烯的方法，天津大學(xué)楊全紅等用低溫化學(xué)解理氧化石墨的方法制備了高質(zhì)量的石墨烯

石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。 因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅遠(yuǎn)沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會(huì)被損耗，這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性。

石墨烯是目前已知的力學(xué)強(qiáng)度最高的材料，并有可能作為添加劑廣泛應(yīng)用于新型高強(qiáng)度復(fù)合材料之中。用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的防彈衣和"太空電梯"用的超韌纜線，研究表明石墨烯增強(qiáng)聚乙烯醇(PVA)復(fù)合材料，只需要添加0.7%(重量比)的石墨烯，就可以使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高76 %，同時(shí)其楊氏模量增加62%;另外，在功能化石墨烯增強(qiáng)的聚氨酯復(fù)合材料中，石墨烯含量為1%時(shí)，其復(fù)合材料的強(qiáng)度提高75%，模量提高120 %。

在電子應(yīng)用方面石墨烯的應(yīng)用范圍很廣，從柔性電子產(chǎn)品到智能服裝，從可折疊顯示器到有機(jī)太陽能電池，甚至未來的全碳電路都是以石墨烯為原料。研究表明，石墨烯可以被刻成尺寸不到1個(gè)分子大小的單電子晶體管，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作，而10納米是硅材料技術(shù)無法再發(fā)揮作用的小型化極限，有研究者認(rèn)為石墨烯可能最終會(huì)替代硅。石墨烯器件制成的計(jì)算機(jī)CPU的運(yùn)行速度可達(dá)到太赫茲，即1千兆赫茲的1000倍。

石墨烯在高靈敏度傳感器和高性能儲(chǔ)能器件方面也已經(jīng)展示出誘人的應(yīng)用前景。

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2010年10月5日，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家康斯坦丁·諾沃肖洛夫和安德烈·海姆因在石墨烯方面的研究榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。