石墨烯的应用研究及展望

2011年 第12期 广 东 化 工 第38卷 总第224期 · 61 ·

石墨烯的应用研究及展望

(河池学院 化生系，广西 宜州 546300)

赵承强

[摘 要]石墨烯是一种只有一个原子厚的结晶体，具有超薄、超坚固和超强导电性等特性，其优异的电学、热学和力学性能，在一些新领域具有重要的开发应用价值，通过对其结构和性质特点的研究，概述了石墨烯在材料及电子工程等方面的应用，展望其未来发展前景。

[关键词]石墨烯；性质；应用；展望

[中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2011)12-0061-02

The Research and Prospect on Application of Grapheme

Zhao Chengqiang

(Department of Chemistry and Life Science, Hechi College, Yizhou 546300, China)

Abstract: Graphene is a kind of the crystals with the thick of only one atom. It has important development application value in some new area for its ultra-thin, super strong and super conductive properties, such as its excellent electrical, thermal and mechanical properties. By studying the characteristics of the structure and properties, summarized the applications in electronic engineering and material of grapheme. Finally, the developments of grapheme in future are prospected.

Keywords: Graphene；property；application；prospect

石墨烯是继纳米碳管、富勒烯球后的又一重大发现，它充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系，为新材料和凝聚态物理等领域提供了新的研究点。纯净的石墨烯是一种只有一个原子厚的结晶体，具有超薄、超坚固和超强导电性能等特性，虽然当前在世界范围内围绕石墨烯的研究热潮主要还集中在这种两维材料的物理性质，特别是电子结构和电学性质，关于石墨烯的化学研究还较少涉及。但其优异的电学、热学和力学性能，可望在高性能电子器件、复合材料、气体传感器及能量存储等广大领域获得广泛应用。科学界认为石墨烯极有可能取代硅而成为未来的半导体材料，具有非常广阔的应用前景。

的研究人员展示了一种由石墨烯材料制作而成的场效应晶体管(FET)，其截止频率可达100吉赫兹(GHz)，这是迄今为止运行速度最快的射频石墨烯晶体管。研究人员通过使用与现行的先进硅器件制造技术相兼容的加工技术制成了圆晶规模、外延生长的石墨烯，从而达成了此一高频纪录，此一突破清楚地表明了石墨烯可用以制造高性能器件和集成电路。该石墨烯晶体管的频率性能已超过了相同栅极长度的最先进硅晶体管的截止频率(40 GHz)。研究表明，从天然石墨获取的石墨烯材料也可表现出相似的性能，这证明了这种高性能也可获自不同来源的石墨烯。石墨烯晶体管，将超越硅材料。

1 聚合物复合材料

石墨烯的聚合物复合材料是石墨烯迈向实际应用的一个重要方向。由于石墨烯具有优异的性能和低廉的成本，并且经过功能化的石墨烯可以采用溶液加工等常规方法进行处理，非常适用于开发高性能聚合物复合材料。Ruoff等研究人员首先制备出了石墨烯－聚苯乙烯导电复合材料，引起了极大的关注。他们先将功能化的石墨烯均匀地分散到聚苯乙烯基体中，然后用二甲肼进行还原，从而成功地恢复了石墨烯的本征导电性，其导电临界含量仅为0.1 %。

Brinson等系统研究了功能化石墨烯－聚合物复合材料的性能，发现加入石墨烯后，聚甲基丙烯酸甲酯的模量、强度、玻璃化转变温度和热分解温度得到大幅度提高，并且石墨烯的作用效果远比单壁碳纳米管和膨胀石墨好，加入1 %的功能化石墨烯，可以使聚丙稀腈的玻璃化转变温度提高40 ℃，大大提高了聚合物的热稳定性。

3 高强度材料

法国皇帝拿破仑曾经说过：“笔比剑更有威力”，然而他在200多年前说这话的时候绝对不会想到，人类使用的普通铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质!让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍。美国科学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线。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。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。

4 高效率导体

石墨烯的导热能力出众，达到了5000 W/(m·k)，是金刚石的5倍。而在石墨烯发现以前，金刚石是已知自然界中热导率最高的。石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小，产生的热量少，导电效率高。它是目前已知在常温下导电性能最优秀的材料，用它制成电缆导电性能和强度都要远高于目前应用的铝缆、铜缆，一旦找到量产它的方法，电力行业的碳时代也将随之到来。

2 半导体材料

石墨烯是一种零带隙半导体材料，具有远比硅高的载流子迁移率，并且从理论上说，它的电子迁移率和空穴迁移率两者相等，因此其n型场效应晶体管和p型场效应晶体管是对称的。还有，因为其具有零禁带特性，即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级，所以它是一种性能优异的半导体材料。

2004年开发出石墨烯的英国曼切斯特大学物理和天文学系的Andre Geim教授和Kostya Novoselov研究员开发出的世界最小晶体管仅1个原子厚10个原子宽，所采用的材料是由单原子层构成的石墨烯。作为新型半导体材料，近年来获得科学界的广泛关注，英国科学家采用标准的晶体管工艺，首先在单层石墨膜上用电子束刻出沟道，然后在所余下的被称为“岛”的中心部分封入电子，形成量子点。石墨烯晶体管栅极部分的结构为10多纳米的量子点夹着几纳米的绝缘介质，由于施加电压后会改变该量子点的导电性，这样一来量子点如同于标准的场效应晶体管一样，可记忆晶体管的逻辑状态。除了已开发出的10纳米级可实际运行的石墨烯晶体管外，他们已研制出长宽均为1个分子的更小的石墨烯晶体管，该石墨烯晶体管实际上是由单原子组成的晶体管。IBM

5 良好的物理实验平台

石墨烯独特的电子结构，为粒子物理中不易观察到的相对论量子电动力学效应的验证提供了更为方便的手段。例如，一般半导体中电子的能量和动量之间具有二次方关系，但在石墨烯中这一关系却是线性的，也就是说石墨烯中的电子是标准的狄拉克-费米子。这为检验量子电动力学提供了一个简单的途径。再如，对爱因斯坦相对论的验证往往需要昂贵的实验设备或通过遥远的星系来完成，而石墨烯的出现使相关研究变得简单、方便。

6 纳电子器件方面的应用

2005年，Geim研究组与Kim研究组发现，室温下石墨烯具有l0倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10 am／V·s)，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300 K下可达0.3 m)，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，

[收稿日期] 2011-07-01

[作者简介] 赵承强(1965-)，男，广西罗城人，讲师，主要研究方向为配位化学、化学教学。

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使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能[9]。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，与目前电子器件中使用的硅及金属材料不同，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。最近，Geim研究组利用电子束光刻与干刻蚀的方法将同一片石墨烯加工成量子点，引线和栅极，获得了室温下可以操作的石墨烯基单电子场效应管，解决了目前单电子场效应由于纳米尺度材料的不稳定性所带来的操作温度受限问题。荷兰科学家则报道了第一个石墨烯基超导场效应管，发现在电荷密度为零的情况下石墨烯还是可以传输一定的电流，可能为低能耗，开关时间快的纳米尺度超导电子器件带来突破。与一维纳米材料相比，石墨烯基电子器件的显著优势是整个电路，包括导电通道、量子点、电极、势垒、分子开关及联结部件等，可在同一片石墨烯上获得，有可能避免一维材料基器件中难以实现的集成问题。

应力等的敏感检测。

9 石墨烯的应用前景

石墨烯的研究刚刚起步，面临着种种困难。在制备工艺方面，制备用于实验的石墨烯样品虽已不是问题，但大规模生产石墨烯的工艺还待改进。从现代半导体工业发展的趋势看，未来的晶体管将会由纯净的、具有高导电性的石墨烯晶体和经过化学改进的具有半导体性能的石墨烯衍生物一起组成。研究人员和工业界将石墨烯看作硅的替代品，用以生产未来的超级计算机。随着石墨烯的各种特性被陆续发现，相信很快就可以投入大批量低成本的工业化生产。科斯特亚·诺维塞洛维说：“石墨烯是一种极佳的导体，可被广泛的应用于诸多电子设备当中，如果可以通过化学方法按人们的需要控制其电子性能，那将具有更为诱人的应用前景。我们的工作已经证明了这种方法的可行性，已经打开制造石墨烯化学衍生物的闸门，这将进一步拓宽石墨烯的应用空间”。英国科学家在石墨烯基础上开发出一种具有突破性的新材料，用纯净的石墨烯和氢制备出具有绝缘性能的二维晶体石墨烯衍生物―石墨烷，在不破坏石墨烯独特的六角形晶格结构和单原子厚度的情况下，在每个碳原子上都增加了一个氢原子，从而制备出了具有新特性的新材料。这些新型超薄材料具有不同导电性能。该实验证明了可以通过化学方法改变石墨烯的性能，这为制备其他基于石墨烯的化学衍生物铺平了道路。同时，对类石墨烯的研究和应用，也极大地拓展了石墨烯的应用和发展，显示了其强大的生命力。虽然石墨烯的应用和研究还面临种种困难，但对石墨烯的研究有着令人神往的前景，已成为新型材料应用的热点，在不久的将来，我们的生活会因石墨烯而改变。

7 减少噪声方面的运用

美国IBM宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的石墨烯，试制成功了新型晶体管，同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f噪声。石墨烯作为形成纳米级晶体管和电路的“Post-Si材料”，正在全球进行研究开发。普通的纳米元件随着尺寸的减小，被称作1/f的难以控制的噪音越来越明显，存在信噪比恶化的问题。这种现象就是众所周知的“波格定律(Hogue’slaw)”，即使采用石墨烯、碳纳米管以及硅材料也会产生该现象。因此，如何减小1/f噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。IBM利用单层石墨烯试制晶体管，并确认该元件符合波格定律。另一方面，通过重叠二层石墨烯，试制成功了相同的晶体管，不过与预计的相反，发现能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音。

参考文献

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[7]张亚妮，徐永东，楼建军，等．碳／碳化硅复合材料摩擦磨损性能分析[J]．航空材料学报，2005，25(2)：49-54．

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[9]叶斌，何新波，曲选辉，等．制备工艺对Cf/SiC复合材料力学性能的影响[J]．材料工程，2004(8)：47-50．

8 在其他方面的应用

随着石墨烯低成本，大规模制备技术的发展，许多应用也相继出现，并越来越受到重视。由于大的表面体积比和高导电性，石墨烯另一诱人的应用是作为电池电极材料以提高电池效率。石墨烯具有优异的氢气吸附特性，可望在储氢材料领域得到应用。例如，2006年Rouf研究组在《自然》上报道了第一个石墨烯基复合材料，其渗流值与纳米碳管聚苯乙烯复合材料相当，并具有高导热性和高强度等特点，可望制成导电塑料用于太阳能电池板或计算机中的散热部件。最近，该研究组利用流体定向方法将离散的氧化石墨烯组装成高强度、高硬度、高韧性的纸状材料，为其在超级电容器、分子存储材料及性能可控的渗透膜等方面的应用奠定了基础。此外，由于原子尺度的厚度，优异的电学性质，极其微弱的自旋一轨道耦合，超精细相互作用的缺失以及电学性能对外场敏感等特性，石墨烯还可望在场发射材料，量子计算机以及超灵敏传感器等领域得到广泛的应用。如SchedinF等利用石墨烯制成了第一个可以精确探测单个气体的化学传感器，极大的提高了微量气体快速检测的灵敏性。研究还发现，高灵敏性来自于石墨烯电学上的噪声特性，因此还可用于外加电荷，磁场及机械

(上接第52页)

(1)严格控制克劳斯炉内反应温度在1100~1200 ℃，温度偏低时可加入焦炉煤气伴烧，以提高和稳定炉内温度。为保证反应温度，一台煤气风机不能满足生产要求时，可启动备用煤气风机投入生产。

(2)调整克劳斯炉内燃烧的空气配比，空气比例系数FrIC3113A比以前提高约0.02~0.03，保证燃烧反应充分，避免因氧气不足造成积碳现象的产生。

(3)完善脱硫脱氰工序的尾气分析手段，适时掌握尾气成分，及时调整各种气体配入比例。

(本文文献格式：赵承强．石墨烯的应用研究及展望[J]．广东化工，2011，38(12)：61-62)

磺外销价格800元计算，每年可增加收入47.628万元。取得了较好的经济和社会效益。

(3)每年可节约氰化氢分解装置的催化剂购买和更换费用66.5万元。

参考文献

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[5]黄瀛华，王曾辉，杭月珍．煤化学及工艺学试验[M]．上海：华东化工学院出版社，1988．

5 改进后的效果

(1)酸气捕雾器至克劳斯炉的管线缩短了1/3，管线阻力减小10~15 kPa，整个系统阻力由原来的40 kPa降低至25~30 kPa，有利于生产顺行。

(2)脱硫系统因堵塞停工时间大为减少，运转周期延长，处理能力大为提高。工序的开工率由2009年的70 %提升到2010年的85 %，每年H2S、HCN减排量达1000余t。硫磺产量由2009年的927.76 t提高到2010年的1523.11 t，增加595.35 t，按每吨硫

(本文文献格式：冯江华，李慧敏，张继明，等．焦炉煤气脱硫脱氰工艺的优化[J]．广东化工，2011，38(12)：52)

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