石墨烯应用研究进展综述

石墨烯应用研究进展综述

●文／张文麓

中国船舶重工集团公司第七二五研究所

石墨烯是碳原子紧密堆积成单姆和康斯坦丁 诺沃肖洛夫，利用胶带石墨烯薄片尺寸不易控制。无法可靠

层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质剥离高定向石墨的方法获得真正能够地制造出长度足供应用的石墨薄片样

新材料，是构筑零维富勒烯、一维碳独立存在的二维石墨烯晶体。并发现本，不适合量产。取向附生法是利用生

纳米管、三维体相石墨等ｓｐ２杂化碳了石墨烯载流子的相对论粒子特性，长基质原子结构“种”出石墨烯，石墨

（即碳以双键相连或连接其他原子）才引发石墨烯研究热。这以后，制备石烯性能令人满意，但往往厚度不均匀。

的基本结构单元，具有一些奇特的物墨烯的新方法层出不穷，人们发现，将加热碳化硅法能可控地制备出单层或

理特性，包括：独特的载流子特性，这石墨烯带人工业化生产的领域已为时多层石墨烯，是一种非常新颖、对实现为相对论力学现象的研究提供了一不远了…。

石墨烯的实际应用非常重要的制备方

条重要途径。电子在石墨烯中传输的

法，但制备大面积具有单一厚度的石

阻力很小，在亚微米距离移动时没有

一．国外石墨烯应用研究进展

墨烯比较困难。

散射，具有很好的电子传输性质 力１．石墨烯制备方法

化学还原法能够低成本制备，但

学性能好、韧性好，有实验表明，它们石墨烯的制备方法主要有机械很难制备没有晶界的高品质石墨烯薄

每１００ｎｍ距离上承受的最大压力可达法和化学法２种。机械法包括微机械片。化学解理法是利用氧化石墨通过２．９Ｎ，石墨烯特有的能带结构使空穴分离法、取向附生法和加热碳化硅热还原方法制备石墨烯的方法，是一和电子相互分离，导致新电子传导现法．化学法包括化学还原法与化学解

种重要的石墨烯制备方法。化学气相

象的产生，如量子干涉效应、不规则量理法等旧１。

沉积法提供了一种可控制备石墨烯的

子霍尔效应等。石墨烯的理论研究已微机械分离法是直接将石墨烯有效方法，其最大优点在于可制备出有６０多年的历史，但直至２００４年，英薄片从较大的晶体上剪裁下来，可获面积较大的石墨烯片．缺点是必须在

国曼彻斯特大学物理学家安德烈 海

得高品质石墨烯，且成本低。但缺点是

高温下完成，且在制作过程中。石墨烯

撕脚■产业ＮＯ．７

２０１１—ｊ圜

万方数据

膜有可能形成缺陷。而经过改进的微波等离子体化学气相沉积法，其处理温度较低，只有大约４００℃，但是仍然

不适于量产。

韩国、美国、日本等都在进行石墨烯制备方面的研究，如韩国科学家使

用化学气相沉积法，在制备大尺寸、高

质量石墨烯薄膜方面取得了重大突破删，生产出高纯度石墨烯薄膜，还把它们贴在透明可弯曲的聚合物上，制成了一个透明电极——这算得上是化学气相沉积法制造石墨烯迄今取得的最大成就之一；美国加州大学洛杉矶分校研究人员开发了制造石墨烯和碳纳米管混合材料的新方法，制作出一种新型的石墨烯纳米结构——介孔石墨烯，可以用于大规模生产以介孔石墨烯为基础的半导体集成电路；日本研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜。目前，国外石墨烯的研究开始转人如何降低成本并大规模制备阶段。２．石墨烯的应用

（１）可微“太空电梯”缆线

石墨烯不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料，还可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家

梦寐以求的３．７万ｋｍ（２．３万英里）长太空电梯成为现实。人类通过“太空电

梯”进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料，美国ＮＡＳＡ此前还曾发出了４００万美元的悬赏。

（２）代替硅用于屯子产品

硅让我们迈入了数字化时代，但研究人员仍然渴望找到一些新材料，让集成电路更小、更快、更便宜。在众

多的备选材料中，石墨烯备加引人瞩

目。石墨烯的超高强度、透光性（因为极薄）和超强导电性，使之成为了制造

万方数据

可弯曲显示设备和超高速电子器件的

理想材料。石墨烯如今已经出现在新型晶体管、存储器和其他器件的原型

样品当中。石墨烯运送电子的速度比硅快几十倍，因而用石墨烯制成的晶体管工作得更快、更省电。

以国际商业机器公司（ＩＢＭ）为例，其已研制出运行速度最快的石墨烯晶体型训，ＩＢＭ公司于２０ｌｏ年１２月发

布了与美国麻省理工学院的共同研究

成果——在碳化硅基板上形成的栅长

２４０ｎｍ的石墨烯场效应晶体管，并验证其截止频率为２３０ＧＨｚ。再者，英国科学家开发出了可取代传统半导体的超材料石墨烯，包括英国国家物理实

验室在内的跨欧研究小组开发出的石

墨烯材料，将成为微型芯片和触摸屏等未来高速电子产品的关键成分。（３）用于光于传成器

石墨烯还可用于光子传感器，这

种传感器用于检测光纤中携带的信

息，现在，这个角色还在由硅担当，但

硅的时代似乎就要结束。２０１０年ｌＯ月，ＩＢＭ的一个研究小组首次披露了

他们研制的石墨烯光电探测器。英国剑桥大学及法国ＣＮＲ的研究人员已经制造出了超快锁模石墨烯激光器，这项研究成果显示了石墨烯在光电器

件上大有可为惦 。《４）用于蚋电子器件

石墨烯是纳米电路的理想材料，

其中，高传导石墨烯是一种性能优异的半导体材料，是将来应用于纳米电子器件最具希望的材料。巴斯夫和沃尔贝克公司开发了用于导电涂层的高传导石墨烯，这将为石墨烯在电子工业中应用的商业化铺平道路。

ｆｓ｝用于太阳能电池

透明的石墨烯薄膜可制成优良

的太阳能电池。美国鲁特格大学开发

出一种制造透明石墨烯薄膜的技术，所制造的石墨烯薄膜只有几厘米宽、ｌ～５ｎｍ厚，可用于有机太阳能电池；美国南加州大学的研究人员已将石墨烯用于制作有机太阳电池。石墨烯有机太阳能电池造价低，而且柔韧性好，

因此研究人员看好其应用前景，例如

这种石墨烯有机太阳能电池可做成家

用窗帘，甚至可以做成会发电的衣服。

目前研究人员已能制作多种尺寸的石墨烯，其中面积最大的为１５０ｃｍ２。

（６）其他应用

石墨烯在增强复合材料方面超越了碳纳米管。美国伦斯勒理工学院的研究者发表的３项新研究成果表明，石墨烯可用于制造风力涡轮机和飞机机翼的增强复合材料。此外，石墨烯可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体。在生物技术方面也可得到应用……，

如此之应用，在此不再一列举。

二．我国石墨烯应用研究进展

我国的研究人员也正在石墨烯领域开展积极的探索。例如，中国科学院长舂应用化学研究所在石墨烯研究方

面获得系列进展，他们针对石墨烯的

制备、化学修饰、性能研究等开展了系列研究工作，并积极探索了石墨烯在众多领域的应用，取得系列创新性的研究进展，还研制开发出多种高强度、高韧性树脂材料等 此外，该所在石墨烯透明电极、生物传感等方面探索获得的关研究结果，引起国内外同行

的广泛关注。

２００８年１２月７日在南开大学举行的。全国石墨烯／单层石墨研讨会”，深入探讨了石墨烯／单层石墨的研究现状和发展方向，使我国在该领域向更高的学术和研究水平更迈进了一步。

１．石暴烯制备方法

２．石罱烯的应用

长。由于氧化石墨烯的制备简便、成本２００８年，中国科学院物理研究所（１）石墨烯纳米生抽传成器

低廉，这种新型的碳纳米材料有望在环研究人员采用剥离一再嵌入一扩涨的２０ｌＯ年３月，在中国科学院院长境和临床领域得到广泛应用Ｍ。

方法成功制备了高质量石墨烯，中国特别基金和国家自然基金项目的支持（３）其它应甩

科学院数学与系统科学研究院的计下，国家纳米科学中心的石墨烯纳米

中国科学院金属研究所沈阳材料算结果表明，该石墨烯的理想强度为生物传感器研究取得突破。国家纳米科学国家（联合）实验室先进炭材料部ｌｌＯ～１２ｌＧＰａ。这意味着石墨烯是目

科学中心和美国哈佛大学合作，成功

的研究人员，探索了石墨烯在场发射前人类已知的最为牢固的材料怕１。

制备了石墨烯与动物心肌细胞的人造

体、超级电容器、锂离子电池和透明导

中国科学院大连化学物理研究所突触，建立了一维、二维纳米材料与细电膜等方面的应用。探索结果表明，石

催化基础国家重点实验室纳米和界面胞相结合的独特研究体系，为生物电墨烯薄膜具有与碳纳米管薄膜相比拟催化研究组，在多年碳材料研究的基子学的研究带来了新的机遇，相关研的场发射特性，低的开启电场和阈值，础上开发了一条以商品化碳化硅颗粒究成果已经发表在２０ｌＯ年３月的国际

良好的场发射稳定性和均，生，展示了

为原料，通过高温裂解规模制备高品知名期刊＾切册加ｆｆｅ腮上１８ｊ。

石墨烯在平板显示等方面白

佣前景。

质石墨烯材料的新途径，对实现石墨（２）石墨烯纳米抗茵材料

石墨烯的潜在应用方句包括触摸烯的实际应用具有重要意义。他们通２００８年，中国科学院上海应用物理屏、太阳能电池、能量储有：装置、手机过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率研究所物理生物学实验室就开始了新和高速电脑芯片等，目前在新型超导以及气氛的控制，可以实现对石墨烯型石墨烯纳米抗菌材料方面的研究工材料、微电子、表面处理以及催化等方结构和尺寸的调控，为石墨烯作为新

作，探索了氧化石墨烯的抗菌特性，发面具有良好的应用前景。并且，石墨烯型电极材料以及催化材料的研究和应现氧化石墨烯的抗菌性源于其对大肠应用于化学修饰电极、化学电源、催化用奠定了基础。

杆菌细胞膜的破坏，氧化石墨烯纳米悬剂和药物载体以及气体传感器等方面值得一提的是，我国科学家率液在与大肠杆菌孵育２ｈ后，对其抑制率

的研究也获得了进展。

先实现基于石墨烯的各向异性刻超过９似。更重要的是，氧化石墨烯不

今后，为了探寻石墨烯更广阔的蚀技术，这是我国科学家在该研究仅是一种新型的优良抗菌材料，而且对

应用领域，还需继续寻求更为优异领域中独具特色的工作，相关结果哺乳动物细胞产生的毒性很小。此外。的石墨烯制备工艺，使其得到更好

已发表在国际知名杂志Ａｄ矿ａ力ｃＰｄ

通过抽滤法制备成的纸片样宏观氧化的应用。嗍

Ｍａｔｅｎａｌｓ业＿。

石墨烯膜，也能有效抑制大肠杆菌的生

ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉ跚．１００８—８９２ｘ．２０１１．０７．Ｏ¨

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啊皿■产业ＮＯ．７２们１●歪一

万方数据

石墨烯应用研究进展综述

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

张文毓

中国船舶重工集团公司第七二五研究所新材料产业

Advanced Materials Industry2011(7)

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