石墨稀應(yīng)用前景

石墨烯是目前已知的力學強度最高的材料，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材料、超堅韌的防彈衣和"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)合材料的拉伸強度提高76 %，同時其楊氏模量增加62%;另外，在功能化石墨烯增強的聚氨酯復(fù)合材料中，石墨烯含量為1%時，其復(fù)合材料的強度提高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，有研究者認為石墨烯可能最終會替代硅。石墨烯器件制成的計算機CPU的運行速度可達到太赫茲，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能器件方面也已經(jīng)展示出誘人的應(yīng)用前景。

石墨烯出現(xiàn)在實驗室中是在2004年，當時，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·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)域已為時不遠了。 因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學獎。 石墨烯的出現(xiàn)在科學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電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強度和極好的透光性，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)的半導體和導體，例如硅和銅遠沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導體和導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了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性。

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

微機械分離法

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。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行摩擦，體相石墨的表面會產(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，無法可靠地制造長度足供應(yīng)用的石墨薄片樣本。

取向附生法-晶膜生長

取向附生法是利用生長基質(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(zhì)表面，最終它們可長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋 8 0 %后，第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產(chǎn)生強烈的交互作用，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。通過對原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以及氣氛的控制，可以實現(xiàn)對石墨烯結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)控。這是一種非常新穎、對實現(xiàn)石墨烯的實際應(yīng)用非常重要的制備方法。

化學還原法

化學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 等利用化學分散法制得厚度為1 nm左右的石墨烯。

化學解理法

化學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，天津大學楊全紅等用低溫化學解理氧化石墨的方法制備了高質(zhì)量的石墨烯

石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點陣結(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)是平面六邊形點陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導電性。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，當施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，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)秀的導熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會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，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，則會構(gòu)成石墨烯的缺陷。12個五角形石墨烯會共同形成富勒烯。

不存在石墨稀的概念，只有石墨烯，本詞條為無意義的錯誤詞條 例證是國家建設(shè)的CNKI中國知網(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)，是一個世紀以來研發(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，儲量極高，主要產(chǎn)自智利、印度和加拿大等國。

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家的興趣 。在2006年3月，佐治亞理工學院研究員宣布, 他們成功地制造了石墨烯平面場效應(yīng)晶體管，并觀測到了量子干涉效應(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)料非常牢固堅硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯的原子尺寸結(jié)構(gòu)非常特殊，必須用量子場論才能描繪。

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