石墨烯帶我們走進未來世界！
石墨烯帶我們(men) 走進未來世界！
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平麵薄膜，是一種隻有一個(ge) 原子層厚度的準二維材料，所以又叫做單原子層石墨。英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從(cong) 石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯常見的粉體(ti) 生產(chan) 的方法為(wei) 機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chan) 方法為(wei) 化學氣相沉積法（CVD）。由於(yu) 其十分良好的強度、柔韌、導電、導熱、光學特性，在物理學、材料學、電子信息、計算機、航空航天等領域都得到了長足的發展。
作為(wei) 目前發現的薄、強度大、導電導熱性能強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為(wei) “黑金”，是“新材料之首”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產(chan) 業(ye) 革命。
石墨烯分為(wei) 石墨烯粉體(ti) 和石墨烯薄膜兩(liang) 大類。常見的石墨粉體(ti) 生產(chan) 的方法為(wei) 機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法。石墨烯薄膜生產(chan) 方法為(wei) 化學氣相沉積法（CVD）。
石墨烯粉體(ti) 生產(chan) 方法
1、機械剝離法
機械剝離法是利用物體(ti) 與(yu) 石墨烯之間的摩擦和相對運動，得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體(ti) 結構 。2004年英國兩(liang) 位科學使用透明膠帶對天然石墨進行層層剝離取得石墨烯的方法，也歸為(wei) 機械剝離法，這種方法一度被認為(wei) 生產(chan) 效率低，無法工業(ye) 化量產(chan) 。
近年來，產(chan) 業(ye) 界對於(yu) 石墨烯的生產(chan) 方法進行了大量的研發創新，目前在廈門、廣東(dong) 等省市已經有幾家公司攻克了低成本大規模製備石墨烯的生產(chan) 瓶頸，使用機械剝離法工業(ye) 化量出成本低、品質高的石墨烯。
2、氧化還原法
氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化，增大石墨層之間的間距，在石墨層與(yu) 層之間插入氧化物，製得氧化石墨(GraphiteOxide)。然後將反應物進行水洗，並對洗淨後的固體(ti) 進行低溫幹燥，製得氧化石墨粉體(ti) 。通過物理剝離、高溫膨脹等方法對氧化石墨粉體(ti) 進行剝離，製得氧化石墨烯。後通過化學法將氧化石墨烯還原，得到石墨烯（RGO）。這種方法操作簡單，產(chan) 量高，但是產(chan) 品質量較低[13] 。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強酸，存在較大的危險性，又須使用大量的水進行清洗，帶大較大的環境汙染。
使用氧化還原法製備的石墨烯，含有較豐(feng) 富的含氧官能團，易於(yu) 改性。但由於(yu) 在對氧化石墨烯進行還原時，較難控製還原後石墨烯的氧含量，同時氧化石墨烯在陽光照射、運輸時車廂內(nei) 高溫等外界每件影響下會(hui) 不斷的還原，因此氧化還原法生產(chan) 的石墨烯逐批產(chan) 品的品質往往不一致，難以控製品質。
目前不少人將氧化石墨、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯概念理解混淆。氧化石墨呈棕色，為(wei) 石墨與(yu) 氧化物聚合體(ti) 。 氧化石墨烯係將氧化石墨剝離至單層、雙層或寡層後的產(chan) 物，含有大量的含氧基團，因此氧化石墨烯不導電，氧化石墨烯性質活躍，在使用過程中特別是參與(yu) 高溫材料加工過程中，會(hui) 不斷還原並釋放出二氧化硫等氣體(ti) 。 通過將氧化石墨烯還原之後的產(chan) 品，才能稱為(wei) 石墨烯（還原氧化石墨烯）。
3、（碳化矽）SiC外延法
SiC外延法是通過在超高真空的高溫環境下，使矽原子升華脫離材料，剩下的C原子通過自組形式重構，從(cong) 而得到基於(yu) SiC襯底的石墨烯。這種方法可以獲得高質量的石墨烯，但是這種方法對設備要求較高。
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石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平麵薄膜，是一種隻有一個(ge) 原子層厚度的準二維材料，所以又叫做單原子層石墨。英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從(cong) 石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯常見的粉體(ti) 生產(chan) 的方法為(wei) 機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chan) 方法為(wei) 化學氣相沉積法（CVD）。由於(yu) 其十分良好的強度、柔韌、導電、導熱、光學特性，在物理學、材料學、電子信息、計算機、航空航天等領域都得到了長足的發展。
作為(wei) 目前發現的薄、強度大、導電導熱性能強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為(wei) “黑金”，是“新材料之首”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產(chan) 業(ye) 革命。
石墨烯分為(wei) 石墨烯粉體(ti) 和石墨烯薄膜兩(liang) 大類。常見的石墨粉體(ti) 生產(chan) 的方法為(wei) 機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法。石墨烯薄膜生產(chan) 方法為(wei) 化學氣相沉積法（CVD）。
石墨烯粉體(ti) 生產(chan) 方法
1、機械剝離法
機械剝離法是利用物體(ti) 與(yu) 石墨烯之間的摩擦和相對運動，得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體(ti) 結構 。2004年英國兩(liang) 位科學使用透明膠帶對天然石墨進行層層剝離取得石墨烯的方法，也歸為(wei) 機械剝離法，這種方法一度被認為(wei) 生產(chan) 效率低，無法工業(ye) 化量產(chan) 。
近年來，產(chan) 業(ye) 界對於(yu) 石墨烯的生產(chan) 方法進行了大量的研發創新，目前在廈門、廣東(dong) 等省市已經有幾家公司攻克了低成本大規模製備石墨烯的生產(chan) 瓶頸，使用機械剝離法工業(ye) 化量出成本低、品質高的石墨烯。
2、氧化還原法
氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化，增大石墨層之間的間距，在石墨層與(yu) 層之間插入氧化物，製得氧化石墨(GraphiteOxide)。然後將反應物進行水洗，並對洗淨後的固體(ti) 進行低溫幹燥，製得氧化石墨粉體(ti) 。通過物理剝離、高溫膨脹等方法對氧化石墨粉體(ti) 進行剝離，製得氧化石墨烯。後通過化學法將氧化石墨烯還原，得到石墨烯（RGO）。這種方法操作簡單，產(chan) 量高，但是產(chan) 品質量較低[13] 。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強酸，存在較大的危險性，又須使用大量的水進行清洗，帶大較大的環境汙染。
使用氧化還原法製備的石墨烯，含有較豐(feng) 富的含氧官能團，易於(yu) 改性。但由於(yu) 在對氧化石墨烯進行還原時，較難控製還原後石墨烯的氧含量，同時氧化石墨烯在陽光照射、運輸時車廂內(nei) 高溫等外界每件影響下會(hui) 不斷的還原，因此氧化還原法生產(chan) 的石墨烯逐批產(chan) 品的品質往往不一致，難以控製品質。
目前不少人將氧化石墨、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯概念理解混淆。氧化石墨呈棕色，為(wei) 石墨與(yu) 氧化物聚合體(ti) 。 氧化石墨烯係將氧化石墨剝離至單層、雙層或寡層後的產(chan) 物，含有大量的含氧基團，因此氧化石墨烯不導電，氧化石墨烯性質活躍，在使用過程中特別是參與(yu) 高溫材料加工過程中，會(hui) 不斷還原並釋放出二氧化硫等氣體(ti) 。 通過將氧化石墨烯還原之後的產(chan) 品，才能稱為(wei) 石墨烯（還原氧化石墨烯）。
3、（碳化矽）SiC外延法
SiC外延法是通過在超高真空的高溫環境下，使矽原子升華脫離材料，剩下的C原子通過自組形式重構，從(cong) 而得到基於(yu) SiC襯底的石墨烯。這種方法可以獲得高質量的石墨烯，但是這種方法對設備要求較高。
石墨烯薄膜生產(chan) 方法
化學氣相沉積法即（CVD）是使用含碳有機氣體(ti) 為(wei) 原料進行，氣相沉積製得石墨烯薄膜的方法。這是目前生產(chan) 石墨烯薄膜有效的方法。這種方法製備的石墨烯具有麵積大和質量高的特點，但現階段成本較高，工藝條件還需進一步完善。由於(yu) 石墨烯薄膜的厚度很薄，因此大麵積的石墨烯薄膜無法單獨使用，必須附著在宏觀器件中才有使用價(jia) 值，例如觸摸屏、加熱器件等。
石墨烯主要分類
石墨烯單層石墨烯
單層石墨烯（Graphene）：指由一層以苯環結構（即六角形蜂巢結構）周期性緊密堆積的碳原子構成的一種二維碳材料。
石墨烯雙層石墨烯
雙層石墨烯（Bilayeror double-layer graphene）：指由兩(liang) 層以苯環結構（即六角形蜂巢結構）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛構成的一種二維碳材料。
石墨烯少層石墨烯
少層石墨烯（Few-layer）：指由3-10層以苯環結構（即六角形蜂巢結構）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構成的一種二維碳材料。
石墨烯多層石墨烯
多層石墨烯又叫厚層石墨烯（multi-layergraphene）：指厚度在10層以上10nm以下苯環結構（即六角形蜂巢結構）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構成的一種二維碳材料。
石墨烯主要應用
隨著批量化生產(chan) 以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chan) 業(ye) 化應用步伐正在加快，基於(yu) 已有的研究成果，先實現商業(ye) 化應用的領域可能會(hui) 是移動設備、航空航天、新能源電池領域。
石墨烯基礎研究
石墨烯對物理學基礎研究有著特殊意義(yi) ，它使得一些此前隻能在理論上進行論證的量子效應可以通過實驗經行驗證。在二維的石墨烯中，電子的質量仿佛是不存在的，這種性質使石墨烯成為(wei) 了一種罕見的可用於(yu) 研究相對論量子力學的凝聚態物質——因為(wei) 無質量的粒子必須以光速運動，從(cong) 而必須用相對論量子力學來描述，這為(wei) 理論物理學家們(men) 提供了一個(ge) 嶄新的研究方向：一些原來需要在巨型粒子加速器中進行的試驗，如今可以在小型實驗室內(nei) 用石墨烯進行。
石墨烯還具有所謂的量子霍爾效應，這種諾貝爾獎量級的重要效應以往是要在極低溫下才能顯現的，石墨烯卻能將它帶到室溫下。
石墨烯晶體(ti) 管
石墨烯可以用來製作晶體(ti) 管，由於(yu) 石墨烯結構的高度穩定性，這種晶體(ti) 管在接近單個(ge) 原子的尺度上依然能穩定地工作。相比之下，目前勇挑大梁的以矽為(wei) 材料的晶體(ti) 管在10nm左右的尺度上就會(hui) 失去穩定性；石墨烯中電子對外場的反應速度超快這一特點，又使得由它製成的晶體(ti) 管可以達到極高的工作頻率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布將石墨烯晶體(ti) 管的工作頻率提高到了100GHz，超過同等尺度的矽晶體(ti) 管。
石墨烯柔性顯示屏
消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為(wei) 未來移動設備顯示屏的發展趨勢
柔性顯示屏
。柔性顯示未來市場廣闊，作為(wei) 基礎材料的石墨烯前景也被看好。韓國研究人員製造出了又多層石墨烯和玻璃纖維聚酯片基底組成的柔性透明顯示屏。韓國三星公司和成均館大學的研究人員在一個(ge) 1575px寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，製造出了一塊電視機大小的純石墨烯。他們(men) 表示，這是迄今為(wei) 止“塊頭”大的石墨烯塊。隨後，他們(men) 用該石墨烯塊製造出了一塊柔性觸摸屏。研究人員表示，從(cong) 理論上來講，人們(men) 可以卷起智能手機，然後像鉛筆一樣將其別在而後。
石墨烯新能源電池
新能源電池也是石墨早商用的一大重要領域。美國麻省理工學院已成功研製出表麵附有石墨烯納米塗層的柔性光伏電池板，可極大降低製造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發，也解決(jue) 了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產(chan) 業(ye) 的發展。這一係列的研究成果為(wei) 石墨烯在新能源電池行業(ye) 的應用鋪就了道路。
石墨烯航空航天
由於(yu) 高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍(jun) 工領域的應用優(you) 勢也是極為(wei) 突出的。前不久美國NASA開發出應用於(yu) 航天領域的石墨烯傳(chuan) 感器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性不足等進行檢測。而石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應用上也將發揮更重要的作用。
石墨烯感光元件
2013年，新加坡南洋理工大學學者，研發出了一個(ge) 以石墨烯作為(wei) 感光元件材質的新型感光元件，可望透過特殊結構，讓感光能力比現有CMOS或CCD提高上千倍，而且損耗的能源也僅(jin) 需原本10%。
這項技術將被應用在監視器與(yu) 衛星成像領域中，不久的將來可以應用於(yu) 照相機、智能手機等。
石墨烯複合材料
基於(yu) 石墨烯的複合材料是石墨烯應用領域中的重要研究方向, 其在能量儲(chu) 存、液晶器件、電子器件、生物材料、傳(chuan) 感材料和催化劑載體(ti) 等領域展現出了優(you) 良性能, 具有廣闊的應用前景。目前石墨烯複合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物複合材料和石墨烯基無機納米複合材料上，而隨著對石墨烯研究的深入, 石墨烯增強體(ti) 在塊體(ti) 金屬基複合材料中的應用也越來越受到人們(men) 的重視。