碳納米材料的研究進(jìn)展

1、 碳納米材料的研究進(jìn)展 XX 武漢大學(xué) 化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院摘要: 碳納米材料是具有納米尺寸的碳材料，它有納米材料的特性如表面效應(yīng)，并且已經(jīng)在許多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，如新能源、高效的儲(chǔ)存器及各種電子器件。由于碳元素在自然界中豐度大，相對(duì)質(zhì)量小，化學(xué)與熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，所以在最近的二十年里碳材料在輕質(zhì)、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)材料方面有很廣泛的應(yīng)用。尤其像富勒烯、碳納米管、石墨烯、碳纖維等碳納米結(jié)構(gòu)材料引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。并且這些材料有可能為我們?cè)谛履茉春透咝У奈㈦娮悠骷矫鎺砀锩缘耐黄?。本文將通過最新的研究成果，介紹碳納米材料在電學(xué)器件、光學(xué)器件、傳感器件等方面的應(yīng)用，比較說明富勒烯，碳納米管，石墨烯

2、等材料的潛在應(yīng)用前景，并對(duì)未來石墨烯的研究中的挑戰(zhàn)做綜述性論述。關(guān)鍵詞：碳納米材料 發(fā)展趨勢 新的研究成果 微電子器件 The development of carbon nanomaterials Yang LiCollege of chemistry and molecular, Wuhan university Abstract:carbon nanomaterials materials, that is, carbon materials with a feature size on the nanometer scale and, in some cases, functional

3、ized surfaces, already play an important role in a wide range of emerging fields, such as the search for novel energy sources, efficientenergy storage, sustainable chemical technology, as well as organic electronic materials. The high natural abundance of carbon, its low specific weight, as well as

4、the chemical and thermal robustness of the different carbon allotropes have resulted in carbon components being increasingly utilized in cheap, lightweight, and durable high-performance materials over the past two decades.1 In particular, carbon nanostructures such as fullerenes, carbon nanotubes (C

5、NTs), graphene, and carbon fibers are famous.Furthermore, such materials might offer solutions to the challenges associated with the on-going depletion of nonrenewable energy resources or climate change, and they may promote further breakthroughs in the field of microelectronics.Here, we present an

6、extensive review of carbon nanomaterials in electronic, optoelectronic, photovoltaic, and sensing devices with a particular focus on the latest examples based on the highest purity samples. Specific attention is devoted to each class of carbon nanomaterial,thereby allowing comparative analysis of th

7、e suitability of fullerenes, carbon nanotubes, and graphene for each application area. In this manner, this article will provide guidance to future application developers and also articulate the remaining research challenges confronting this field.Key words carbon nanomaterials development trend new

8、 research results microelectronics引言：碳元素是生命的骨架, 是人類最早接觸并利用的元素之一碳元素的最大特點(diǎn)之一是存在眾多的同素異形體, 如金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯、卡拜等。金剛石和石墨屬于塊狀材料，而富勒烯碳納米管、石墨烯及卡拜等則是低維碳納米材料.繼英國科學(xué)家 Kroto、美國科學(xué)家Smalley 和 Curl 3 人因發(fā)現(xiàn)富勒烯川而獲得1996 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)之后, 英國科學(xué)家 Novoselov 和 Geim 因成功制備了單原子層石墨烯，而被授予了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).在發(fā)現(xiàn)C60 以前, 人們一直認(rèn)為碳元素只有金剛石和石墨兩種晶體結(jié)

9、構(gòu)。1985 年, 富勒烯的發(fā)現(xiàn)極大地拓展了人類對(duì)碳材料的認(rèn)識(shí)川。1991 年, 碳納米管的發(fā)現(xiàn)則是納米科技和材料學(xué)史上的一個(gè)里程碑。 2004 年, 穩(wěn)定單原子層石墨烯的成功分離推翻了熱力學(xué)漲落不允許二維晶體在有限溫度下自由存在的認(rèn)知, 震撼了整個(gè)物理學(xué)界。石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳單質(zhì)材料, 它是構(gòu)筑零維富勒烯、準(zhǔn)一維碳納米管、三維體相石墨的“建材”卡拜是sP 雜化軌道成鍵的一維碳原子鏈(carbon chain , C一chain ) , 它是真正的一維碳納米材料, 其直徑只有一個(gè)碳原子的大小.碳納米材料具有獨(dú)特的低維結(jié)構(gòu)和奇異的電學(xué)、力學(xué)、機(jī)械特性以及量子尺寸效

10、應(yīng), 并在新能源、環(huán)境、生物、醫(yī)藥、信息、航天和微波吸收等領(lǐng)域展現(xiàn)出了許多優(yōu)異的性能, 呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。現(xiàn)代納米材料的研究主要圍繞一維，二維碳納米材料開展了大量制備、結(jié)構(gòu)表征、物性及應(yīng)用研究工作, 并且已經(jīng)在高純度高結(jié)晶性單壁碳納米管( single一walled CNTs ,SWCNTs ) 、雙壁碳納米管( double一walled CNTS,DWCNTs )的大量生產(chǎn)與應(yīng)用, 具有量子效應(yīng)的多壁碳納米管( multi一walled CNTs, MWCNT s )的合成, 碳納米線(carbon nanowire s )的控制生長, 單根多壁碳納米管，單根碳納米線的拉曼光譜研究,

11、碳納米墻car bon nanow al ls ) , 石墨烯的大量制備等方面取得了可喜的成果。Fig. 1. Some allotropes of carbon exhibiting different dimensionalities.Except diamond (a), which is an sp3-bonded structure, other allotropes (b),(d)(f) are sp2 bonded and can be regarded as derivatives of 2-D graphene (c).(a) Three-dimensional diamon

12、d. (b) Three-dimensional graphite. (c) Twodimensionalgraphene. (d) One-dimensional nanotube. (e) One-dimensionalnanoribbon. (f) Zero-dimensional fullerenes.1. 碳納米管的研究進(jìn)展 自從年Iijima，發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管（）以來，憑借優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能受到了廣泛的關(guān)注，有關(guān)其制備和應(yīng)用研究已經(jīng)成為碳納米材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，對(duì)于的研究除了對(duì)單根的性能研究外，更多集中在便于實(shí)際應(yīng)用的大量的綜合效應(yīng)的研究上，即在由大量構(gòu)成的二維和三維

13、碳納米材料的研究上。構(gòu)成的納米材料的結(jié)構(gòu)和形貌與其潛在的應(yīng)用價(jià)值有著緊密的聯(lián)系。 圖1構(gòu)成的三維碳納米材料的 圖Fig.2.SEM images of three dimensional carbon nanometerials composed of carbon nanotubes.1.1 碳納米管的光學(xué)性能2002年7月，賴斯大學(xué)的科學(xué)家在研究單壁碳納米管時(shí)，首次觀察到了碳納米管在特定條件下發(fā)熒光的現(xiàn)象。韋斯曼領(lǐng)導(dǎo)的小組在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究，進(jìn)一步識(shí)別出了33種發(fā)光碳納米管吸收和散發(fā)出的光所具有的不同波長?？茖W(xué)家們認(rèn)為，光譜分析將是納米研究的重要工具，因?yàn)樗ㄟ^簡單的測量就可揭示出碳納米

14、管樣品的構(gòu)成。Bonard等通過觀察發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管的發(fā)光是從支撐碳納米管的金針頂附近發(fā)射的，并且發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)射電流的增大而增強(qiáng)。多壁碳納米管膜的發(fā)光位置是非均勻的，發(fā)光位置主要限制在面對(duì)著電極的薄膜部分，發(fā)光強(qiáng)度也是隨著發(fā)射電流的增大而增強(qiáng)。分析認(rèn)為電子在與場發(fā)射有關(guān)的兩能級(jí)上的躍遷而導(dǎo)致碳納米管的發(fā)光。1.2 碳納米管的應(yīng)用 碳納米管是一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的一維量子材料。由于其本身所擁有的潛在優(yōu)越性，決定了它無論在物理、化學(xué)還是材料科學(xué)領(lǐng)域都將有重大的發(fā)展前景。CieniificaLtd咨詢公司日前做出這樣的預(yù)測，納米管和納米纖維市場需求將由2005年約1.737億美元猛增到2010年的36.

15、2億美元，年均增速高達(dá)60%以上。Frost&Sullivan公司則認(rèn)為，僅碳納米管市場需求預(yù)計(jì)到2007年，就將達(dá)到5.4億美元。隨著生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，未來10年碳納米管價(jià)格將大幅下降從而逐漸進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。1.3 碳納米管作為復(fù)合材料的增強(qiáng)劑 碳納米管的韌性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、具有極小的尺度及優(yōu)異的力學(xué)性能，是理想的一維納米增強(qiáng)、增韌材料。碳納米管作為增強(qiáng)材料對(duì)提高金屬的強(qiáng)度、硬度、摩擦、磨損性能及熱穩(wěn)定性的作用己有一些報(bào)道。丁志鵬等采用無壓滲透法制備了碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并對(duì)其摩擦性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳納米管均勻地分散于復(fù)合材料中且與鋁基體結(jié)合良好;碳納米管的加入增大了復(fù)合材

16、料的硬度，且其摩擦系數(shù)和磨損率隨著碳納米管體積分?jǐn)?shù)的增大而減小。由于碳納米管本身具有自潤滑和增強(qiáng)作用，碳納米管的加入極大地改善了鋁合金材料的摩擦性能。1.4 微電子元件 碳納米管最重要的潛在應(yīng)用是在電子工業(yè)方面，尤其是在微電子產(chǎn)業(yè)中，由于以硅為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體器件無法持續(xù)地微小化，因此其工業(yè)發(fā)展將受其限制。許多研究者正在尋找一些可能替代的材料。1998年，荷蘭Delft科技大學(xué)的Dekker研究小組在室溫下用單根半導(dǎo)體型單壁碳納米管做成了場效應(yīng)晶體管，這種晶體管的性能超過硅晶體管的性能。碳納米管具有高的楊氏模量和穩(wěn)健性能，這些特性使其成為應(yīng)用于掃描探針顯微鏡，如原子力顯微鏡等針尖的理想材料。碳納米

17、管的直徑小長徑比大，制成的顯微鏡探針比傳統(tǒng)的si或從針尖的分辨率更高，探測的深度更深，而且更有可以探測狹縫和深層次等優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)碳納米管顯微鏡探針針尖是由smalley等用手工制成。制備碳納米管探針針尖的方法，除了將碳納米管接到硅懸臂桿上外，也可以利用化學(xué)氣相沉積方法在原子力顯微鏡針尖上直接生長碳納米管針尖，這種方法克服了手工制作的缺點(diǎn)，有利于大規(guī)模生長。1.5 儲(chǔ)能材料 碳納米管由于其管道結(jié)構(gòu)及多壁碳管之間的類石墨層空隙，使其成為最有潛力的儲(chǔ)氫材料，并是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室Dillon等采用程序控溫脫附儀，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管在13OK、133.332又 300Pa條

18、件下，儲(chǔ)氫量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%一10%；Ning等用多壁碳納米管對(duì)氫的解吸進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在室溫下，檢驗(yàn)了幾種預(yù)處理方法，氫的釋放量都很低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足0.3%；在溫度77K時(shí)，多壁碳納米管的氫氣解吸量可以達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.27%。通過實(shí)驗(yàn)表明:多壁碳納米管中金屬的含量和熱處理方法，都將對(duì)氫氣的解吸能力產(chǎn)生明顯的影響，從而推斷多壁碳納米管不是一種理想的儲(chǔ)氫材料;劉芙等用機(jī)械球磨的方法，使碳管的長度大幅度降低;同時(shí)碳管端口打開，缺陷增多，使表面積增大。在球磨的碳管中加入納米級(jí)MgO，使碳納米管儲(chǔ)氫量達(dá)到了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.81%。目前，關(guān)于碳納米管的儲(chǔ)氫性能的研究，還是一個(gè)極具爭議的話題，有些人認(rèn)為碳納米

19、管儲(chǔ)氫是一種比較好的思路，但是也有人持異議。1.6 場發(fā)射材料場發(fā)射裝置必須在比較小的電場條件下產(chǎn)生很大的電流，作為衡量場發(fā)射效應(yīng)優(yōu)劣的重要標(biāo)志是開啟電壓要足夠小。由于碳納米管的尖端具有納米尺度的曲率，在相對(duì)比較低的電壓下就能夠發(fā)射大量的電子，因此，碳納米管材料能夠呈現(xiàn)出良好的場致發(fā)射特性，與此同時(shí)，碳納米管還具有化學(xué)穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率高，機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合用作各種場致發(fā)射器件的陰極刀。用碳納米管作發(fā)射陰極，可應(yīng)用于場發(fā)射平面顯示器、微波功率放大器和真空微三極管等電子器件，尤其在場發(fā)射平板顯示器中的應(yīng)用備受關(guān)注，不僅可以提高場發(fā)射平板顯示器的性能而且可以大大降低顯示器的制造成本。2.

20、 富勒烯的研究進(jìn)展自1985 年發(fā)現(xiàn)富勒烯以來，我們的眼前展開了一個(gè)新的化學(xué)世界，其代表是C60及C70。 它們均為具有獨(dú)特的籠形結(jié)構(gòu)的三維芳香化合物，其獨(dú)特的分子立體構(gòu)型屬于Dsh點(diǎn)群對(duì)稱性。 賦予了它們一些特殊的物理及化學(xué)性質(zhì)，富勒烯的三維空間結(jié)構(gòu)和眾多的雙鍵為富勒烯科學(xué)的發(fā)展提供了廣闊的空間。 隱含了許多有待發(fā)現(xiàn)的新性質(zhì)，新功能。它們的奇特特性也為材料科學(xué)，藥物科學(xué)， 電子學(xué)和微電子學(xué)等的發(fā)展開辟了廣闊的前景。在過去的幾年中C60和它的衍生物的光化學(xué)和光物理性質(zhì)得到了廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)了各種有意義的激發(fā)態(tài)性質(zhì)和許多電子給體，如有機(jī)胺半導(dǎo)體膠體等可以把電子轉(zhuǎn)移給C60的激發(fā)三重態(tài)，在溶液中C

21、60光激發(fā)單重態(tài)幾乎定量地經(jīng)系間竄越到三重態(tài)， 當(dāng)非光活性基團(tuán)加成到C60分子上后，系間竄越會(huì)稍稍地減慢，而且隨加成基團(tuán)數(shù)目的增多而變得愈加明顯，而當(dāng)把光活性分子與C60共價(jià)相連時(shí)，觀測到分子內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移則是從激發(fā)態(tài)的光活性分子到C60的激發(fā)單重態(tài)，近幾年來報(bào)道了各種共價(jià)鍵連接的富勒烯，發(fā)色團(tuán)，組裝體系，并對(duì)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移及能量轉(zhuǎn)移進(jìn)行了研究， 在溶液狀態(tài)下通過對(duì)共價(jià)鍵連接的富勒烯與二茂鐵基二元體系的皮秒分辨光解過程的分析表明 ，其中存在著富勒烯激發(fā)單重態(tài)的分子內(nèi)淬滅， 并導(dǎo)致電荷分離自由對(duì)的形成。同樣，在一系列卟啉. 富勒烯光活性二元體系中均觀察到了光致電荷分離以及電荷復(fù)合現(xiàn)象。富勒烯聚合物

22、化學(xué)隨著富勒烯化學(xué)的深入發(fā)展，對(duì)富勒烯聚合物材料的研究也成為科學(xué)家們關(guān)注的新領(lǐng)域，通過有機(jī)聚合反應(yīng)，得到了大量具有不同結(jié)構(gòu)的C60 表現(xiàn)出不同功能的富勒烯高分子衍生物。 富勒烯高分子聚合物既保留了C60的特殊性質(zhì)，又結(jié)合了高分子的物理化學(xué)性質(zhì)和性能，大大地改善了高聚物性質(zhì)的單一性及物理上的加工性能。具有巨大的應(yīng)用潛力。C60有機(jī)聚合物主要有以下幾類， R 1s C60分子在聚合物鏈中作為一個(gè)分子分散整體" 聚集粒子" 從而與聚合物結(jié)合在一起，C60在聚合物側(cè)鏈作為接枝部分； T B S C60作為星狀發(fā)射的聚合物的中心；T I SC60 作為網(wǎng)狀聚合物的交聯(lián)劑以C60為核形

23、成星狀聚合物。 這些基于C60的有機(jī)聚合物結(jié)構(gòu)如圖3，所示,到目前為止，已報(bào)道了多種把C60聯(lián)接到聚合物末端支鏈官能基團(tuán)上的方法。 如用有機(jī)鋰和格氏試劑等親核試劑和分子發(fā)生親核加成反應(yīng)。 以偶氮二異丁腈為引發(fā)劑與苯乙烯或者甲基丙稀酸甲酯發(fā)生自由基聚合 在甲苯溶液能夠較順利地和聚合物鏈上的伯胺或仲胺發(fā)生反應(yīng)得到含有單元的聚合物。 利用疊氮基團(tuán)聯(lián)接合成。聚對(duì)苯乙烯富勒烯籠狀分子通過自身共價(jià)聯(lián)接形成聚合物體系也有較多報(bào)道。 由于C60具有較高的電子親和能，易于通過電荷轉(zhuǎn)移形成陰離子，能作為有機(jī)分子和導(dǎo)電高分子的電子受體，是優(yōu)良的導(dǎo)電高分子的摻雜劑。通過摻雜， 導(dǎo)電高分子在光電性能上會(huì)發(fā)生很大的變化。

24、對(duì)C60 高分子復(fù)合物的實(shí)驗(yàn)顯示%存在著從高分子到C60分子之間的超快速的; 低于皮秒< 光致電荷轉(zhuǎn)移% 從而形成亞穩(wěn)態(tài)的&. 3陰離子和在高分子骨架上移動(dòng)的空穴，在C60 共軛高分子體系中C60分子能夠吸收長波長范圍的光，是光導(dǎo)性的敏化劑。 但在短波長處，光被近于表面的高分子所吸收，在這種情形下，高分子的某個(gè)電子被激發(fā)到高于C60的最低激發(fā)態(tài)的能級(jí)上，因而導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移到C60上。 這種電荷轉(zhuǎn)移，提高了空穴沿高分子鏈的傳輸。C60摻雜到導(dǎo)電高分子中，有兩種情況：一是兩者形成有效摻雜，吸收光譜發(fā)生顯著變化， 導(dǎo)電性有所加強(qiáng)； 二是基態(tài)下的非有效摻雜，吸收光譜不發(fā)生變化，光電導(dǎo)性明顯

25、加強(qiáng)。首次報(bào)道了用C60與C60的混合物摻雜9 : 1呈現(xiàn)非常好的光電導(dǎo)性能及其用于靜電印刷的潛在可能性。用重量比 的C60摻雜9 : 1. 其電荷產(chǎn)生效率在波長處增加到3 倍。 在 處增加了C 倍。C60 高分子復(fù)合物體系中的高分子與C60間的電荷轉(zhuǎn)移可應(yīng)用于光導(dǎo)(光伏打電池以及發(fā)光二極管等光電器件。通過深入研究，人們可了解到有機(jī)分子激發(fā)態(tài)的光物理及光化學(xué)行為。更為有意義的是將可能為進(jìn)一步了解光合作用的機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。近幾年來， 人們對(duì)有機(jī)光伏打電池的研究顯示出濃厚的興趣。用純的共軛高分子制備的光伏打電池的能量轉(zhuǎn)化效率非常低，在之間沒有實(shí)用價(jià)值在聚對(duì)苯撐乙烯以及C60聚噻吩復(fù)合體系中

26、。共軛聚合物的熒光由于C60的存在而被淬滅。 表明從激發(fā)態(tài)發(fā)生的電荷分離速度非?？欤l(fā)生在皮秒級(jí)。 而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在高分子與C60間的高效光誘導(dǎo)的電荷轉(zhuǎn)移。使構(gòu)建高能量轉(zhuǎn)化率的太陽能電池成為可能。 用較純的共軛高分子體系制備的高分子光伏打電這是迄今為止富勒烯最典型的應(yīng)用之一。 圖.3. 富勒烯聚合物的分類3. 石墨烯的研究進(jìn)展人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。石墨烯（Graphene）的理論研究已有60 多年的歷史。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)

27、，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004 年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”而共同獲得2010 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近年來, 電子產(chǎn)業(yè)如計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)化等的高速發(fā)展給人們的生活帶來了巨大的便利, 電子器件微型化的同時(shí)性能也越來越好。在此過程中單晶硅材料發(fā)揮了巨大作用, 但隨著器件尺寸的不斷縮小, 極限問題隨之出現(xiàn), 如特征線寬的縮小和芯片集成度的提高到底有沒有限制? 一方面, 工藝上再也達(dá)不到更窄的線寬, 主要體現(xiàn)在光刻精度的問題; 另一方面, 集成器件

28、的尺寸不斷縮小, 一些物理效應(yīng)將影響器件的正常工作, 最終導(dǎo)致失效。那么, 為了克服這一瓶頸, 是否存在更好的電子器件材料來代替單晶硅呢? 當(dāng)碳納米管被廣泛研究時(shí), 人們?cè)O(shè)想可以用碳納米管來代替硅?？墒? 合成碳納米管的成本較高。2004 年, 二維結(jié)構(gòu)石墨烯的發(fā)現(xiàn)推翻了熱力學(xué)漲落不允許二維晶體在有限溫度下自由存在的認(rèn)知, 震撼了整個(gè)物理界，它的發(fā)現(xiàn)者英國曼切斯特大學(xué)物理和天文學(xué)系的Geim和Novoselov 也因此獲得了2008 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的提名。與碳納米管相比, 石墨烯有完美的雜化結(jié)構(gòu), 大的共軛體系使其電子傳輸能力很強(qiáng), 而且合成石墨烯的原料是石墨, 價(jià)格低廉, 這表明石墨烯在應(yīng)

29、用方面將優(yōu)于碳納米管。與硅相比, 石墨烯同樣具有獨(dú)特優(yōu)勢: 硅基的微計(jì)算機(jī)處理器在室溫條件下每秒鐘只能執(zhí)行一定數(shù)量的操作, 然而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力, 所產(chǎn)生的熱量也非常少。另外, 石墨烯本身就是一個(gè)良好的導(dǎo)熱體, 可以很快地散發(fā)熱量。由于具有優(yōu)異的性能, 如果由石墨烯制造電子產(chǎn)品, 則運(yùn)行的速度可以得到大幅提高。速度還不是石墨烯的唯一優(yōu)點(diǎn)。硅不能分割成小于10 nm的小片, 否則其將失去誘人的電子性能; 與硅相比, 石墨烯被分割時(shí)其基本物理性能并不改變, 而且其電子性能還有可能異常發(fā)揮。因而, 當(dāng)硅無法再分割得更小時(shí),比硅還小的石墨烯可繼續(xù)維持摩爾定律, 從而極有可能成為硅的替代品

30、推動(dòng)微電子技術(shù)繼續(xù)向前發(fā)展。因此, 石墨烯奇特的物理、化學(xué)性質(zhì), 也激起了物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域科學(xué)家極大的興趣。自2004 年之后, 關(guān)于石墨烯的研究報(bào)道如雨后春筍般涌現(xiàn), 在Science、Nature 上相關(guān)報(bào)道就有400 余篇,又一場碳化學(xué)的革命正在悄然興起。3.1石墨烯的特性 Figure 4. Graphene: the parent of all graphitic forms. (From Ref. 1a.)Figure 3Ambipolar electric fi eld effect in single-layer graphene.至今為止，已發(fā)現(xiàn)石墨烯具有非凡的物理及電

31、學(xué)性質(zhì)，如高比表面積、高導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度高、易于修飾及大規(guī)模生產(chǎn)等。石墨烯是零帶隙半導(dǎo)體，有著獨(dú)特的載流子特性，為相對(duì)論力學(xué)現(xiàn)象的研究提供了一條重要途徑；電子在石墨烯中傳輸?shù)淖枇苄?，在亞微米距離移動(dòng)時(shí)沒有散射，具有很好的電子傳輸性質(zhì)；石墨烯韌性好，有實(shí)驗(yàn)表明，它們每100nm 距離上承受的最大壓力可達(dá)2.9 N，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好的材料之一。石墨烯特有的能帶結(jié)構(gòu)使空穴和電子相互分離，導(dǎo)致了新電子傳導(dǎo)現(xiàn)象的產(chǎn)生，如量子干涉效應(yīng)、不規(guī)則量子霍爾效應(yīng)等。Novoselov 等觀察到石墨烯具有室溫量子霍耳效應(yīng)，使原有的溫度范圍擴(kuò)大了10 倍。石墨烯在很多方面具備超越現(xiàn)有材料的特性，具體如圖

32、5所示，日本企業(yè)的一名技術(shù)人員形容單層石墨碳材料“石墨烯”是“神仙創(chuàng)造的材料”。石墨烯的出現(xiàn)，有望從構(gòu)造材料到用于電子器件的功能性材料等廣泛領(lǐng)域引發(fā)材料革命。 圖. 5 “神奇材料”石墨烯的特點(diǎn)二維的石墨烯本身是半金屬性，或者說是零帶隙的半導(dǎo)體，同時(shí)具有金屬和半導(dǎo)體的一些特性。而當(dāng)石墨烯的尺寸達(dá)到跟單壁碳納米管一樣的準(zhǔn)一維時(shí)（又稱為石墨烯納米帶），同樣也會(huì)根據(jù)石墨烯帶的寬度和邊緣結(jié)構(gòu)的不同而表現(xiàn)出金屬性或者半導(dǎo)體性。緊束縛計(jì)算表明鋸齒狀邊緣的石墨烯帶總是呈現(xiàn)出金屬性，而扶手椅狀邊緣的石墨烯帶則可能呈現(xiàn)金屬性或者半導(dǎo)體性，主要取決于石墨烯帶的寬度。而密度泛函理論的計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明半導(dǎo)體性

33、的石墨烯納米帶的帶隙與納米帶的寬度成反比。因此石墨烯納米帶與單壁碳納米管有著極為相似的電學(xué)性質(zhì)。圖.6石墨烯的能帶結(jié)構(gòu) Fig.6 energy band structure for graphene 3.2 研究及應(yīng)用現(xiàn)狀 單層石墨烯的成功制備，引發(fā)了新的碳質(zhì)材料的研究熱潮。石墨烯納米晶體管的成功制備預(yù)示了石墨烯是未來納米電子器件極有前景的材料。與此同時(shí)，對(duì)石墨烯的力學(xué)性能等基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，也是前沿科學(xué)家的研究熱點(diǎn)之一。隨著碳材料性能的不斷改進(jìn)，使得其逐漸成為能源領(lǐng)域的主導(dǎo)。3.2.1 石墨烯制備方法現(xiàn)狀 據(jù)紐約時(shí)報(bào)報(bào)道，韓國科學(xué)家在制備大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯薄膜方面取得重大突破，發(fā)現(xiàn)了一種

34、制備大尺寸石墨烯薄膜的方法。韓國成均館大學(xué)洪秉熙領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究組生產(chǎn)出了高純度石墨烯薄膜，還把它們貼在透明可彎曲的聚合物上，制成了一個(gè)透明電極這算得上是化學(xué)氣相沉積法制造石墨烯迄今取得的最大成就之一。經(jīng)過改進(jìn)之后，這種電極可以取代顯示器上現(xiàn)在所使用的透明電極，價(jià)格卻比現(xiàn)在通常用氧化銦制成的電極便宜得多。美國加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員開發(fā)了制造石墨烯和碳納米管混合材料的新方法，該混合材料有望作為太陽能薄膜電池和家用電器設(shè)備的透明導(dǎo)體，比現(xiàn)在使用的具有相同功能的其他材料更具柔軟性且價(jià)格更低。加州大學(xué)洛杉磯分校研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)制做出一種新型的石墨烯納米結(jié)構(gòu)介孔石墨烯?？组g石墨烯的寬度最小可以達(dá)到5n

35、m。介孔石墨烯可以用于大規(guī)模生產(chǎn)以介孔石墨烯為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體集成電路。美國科學(xué)家使用普通的蔗糖制造出了純凈的石墨烯，用這種石墨烯可以研制出更輕、更快、更廉價(jià)、更緊實(shí)柔韌的計(jì)算機(jī)電子設(shè)備，可廣泛運(yùn)用于軍用飛機(jī)和醫(yī)療領(lǐng)域。2009 年11 月日本東北大學(xué)與會(huì)津大學(xué)通過合作研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯可產(chǎn)生太赫茲光的電磁波。研究人員在硅襯底上制作了石墨烯薄膜，將紅外線照射到石墨烯薄膜上，只需很短時(shí)間就能放射出太赫茲光。如果今后能夠繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)，使光源強(qiáng)度進(jìn)一步增大，將開發(fā)出高性能的激光器。2009 年12 月1 日在美國召開的材料科學(xué)國際會(huì)議上，日本富士通研究所宣布，他們用石墨烯制作出了幾千個(gè)晶體管。富士通研究所

36、的研究人員將原料氣體吹向事先涂有用做催化劑的鐵的襯底，在這種襯底上制成大面積石墨烯薄膜。目前，石墨烯的研究開始轉(zhuǎn)入如何降低成本并大規(guī)模制備方面，石墨烯的具體應(yīng)用方面的研究同時(shí)也在廣泛展開，對(duì)于石墨烯作為電極材料，在電化學(xué)電容器EC 中的應(yīng)用，已經(jīng)顯示出了良好的性能與使用前景3.2.2 石墨烯的應(yīng)用（1）可做“太空電梯”纜線石墨烯不僅可用來開發(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，甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3 萬英里長太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。研究人員表示，如果這種方法被證明可用以成批制造石墨烯光纖，將能降低超堅(jiān)固炭素復(fù)合材料的成本，炭素復(fù)合材料在航空航天、汽車和建筑等領(lǐng)域具有廣泛的用途。（

37、2）代替硅生產(chǎn)電子產(chǎn)品硅讓我們邁入了數(shù)字化時(shí)代，但研究人員仍然渴望找到一些新材料，讓集成電路更小、更快、更便宜。在眾多的備選材料中，石墨烯最引人矚目。石墨烯值得炫耀的優(yōu)點(diǎn)有很多，比如超高強(qiáng)度、透光性(因?yàn)闃O薄)和超強(qiáng)導(dǎo)電性，這讓它成為了制造可彎曲顯示設(shè)備和超高速電子器件的理想材料。石墨烯如今已經(jīng)出現(xiàn)在新型晶體管、存儲(chǔ)器和其他器件的原型樣品當(dāng)中。國際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）已研制出運(yùn)行速度最快的石墨烯晶體管，IBM 公司于2010 年12 月發(fā)布了其與美國麻省理工學(xué)院（MIT）的共同研究成果在SiC 基板上形成的柵長240nm 的石墨烯場效應(yīng)晶體管（FET），并驗(yàn)證其截止頻率為230GHz。石墨烯

38、通過熱處理SiC 基板而成膜。IBM表示，計(jì)劃將其應(yīng)用于高頻RF 元件。Rice 大學(xué)研究人員正在著手研究一類存儲(chǔ)單元密度至少為閃存兩倍的石墨烯片狀存儲(chǔ)器。石墨烯是由沒有卷成納米管的純炭原子薄膜構(gòu)成，此次Rice 大學(xué)研究人員首次將石墨烯用于架構(gòu)更簡單的雙端存儲(chǔ)器件?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)法將越來越多的信息填充在信號(hào)中，它們被要求使用越來越高的頻率，然而手機(jī)的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似

39、乎變得無限廣闊了。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。（3）光子傳感器石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場上，用于檢測光纖中攜帶的信息?，F(xiàn)在，這個(gè)角色還在由硅擔(dān)當(dāng)，但硅的時(shí)代似乎就要結(jié)束。去年10 月，IBM 的一個(gè)研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器，接下來人們要期待的就是基于石墨烯的太陽能電池和液晶顯示屏了。英法研制出超快鎖模石墨烯激光器。英國劍橋大學(xué)及法國CNR 的研究人員已經(jīng)制造出超快鎖模(Mode-locked)石墨烯激光器。由于石墨烯為零能隙的半導(dǎo)體，這項(xiàng)研究成果不僅令人意外，而且顯示了石墨烯在

40、光電器件上大有可為。（4）納電子器件 石墨烯是納米電路的理想材料，也是驗(yàn)證量子效應(yīng)的理想材料。但是由于完整的石墨烯基本沒有帶隙，極大地限制了它在半導(dǎo)體器件上的應(yīng)用，所以為石墨烯開啟一個(gè)帶隙，是一件非常重要的課題。近來，研究表明，一維尺度受限的石墨烯納米帶具有一定的帶隙，可以獲得高性能的晶體場效應(yīng)管，增加芯片速度與效能、降低耗熱量。然而，制備寬度小于10nm 的石墨烯納米帶是非常困難的問題。在納電子器件方面石墨烯的可能應(yīng)用包括：電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場效應(yīng)管；進(jìn)一減小器件開關(guān)時(shí)間，THz 超高頻率的操作響應(yīng)特性；探索單電子器件在同一片石墨烯上集成整個(gè)電路。2009 年BASF 與沃爾貝

41、克材料公司決定對(duì)石墨烯復(fù)合材料的開發(fā)進(jìn)行合作研究。BASF 和沃爾貝克公司開發(fā)了高傳導(dǎo)石墨烯用于導(dǎo)電涂層。兩個(gè)單位的聯(lián)合研究將為石墨烯在電子工業(yè)應(yīng)用的商業(yè)化鋪平道路。它是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，是將來應(yīng)用于納米電子器件最具希望的材料。據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)2010 年6 月 10 日?qǐng)?bào)道，美國科研人員利用石墨烯制造納米電路領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。設(shè)計(jì)出了簡便、快速的納米電線制造方法，能夠調(diào)諧石墨烯的電學(xué)特征，使氧化石墨烯從絕緣物質(zhì)變成導(dǎo)電物質(zhì)。美國曼徹斯特大學(xué)的研究人員用石墨烯制成了分子級(jí)電子電路。石墨烯可以被刻成擁有單個(gè)晶體管的電子電路，其尺寸不比分子大多少，晶體管尺寸越小，其功能越強(qiáng)。研究人員

42、還表示，從氧化石墨烯到石墨烯的簡單轉(zhuǎn)換是制造導(dǎo)電性納米線的重要途徑，其不僅可應(yīng)用于軟性電子學(xué)領(lǐng)域，還有望用于生產(chǎn)與生物兼容的石墨烯電線，可被用于測量單個(gè)生物細(xì)胞的電子信號(hào)。（5）優(yōu)良的太陽能電池 因?yàn)槭┦峭该鞯?，用它制造的電板比其他材料具有更?yōu)良的透光性。透明的石墨烯薄膜可制成優(yōu)良的太陽能電池。美國魯特格大學(xué)開發(fā)出一種制造透明石墨烯薄膜的技術(shù)，這是一種幾厘米寬、l5nm 厚的薄膜。石墨烯薄膜是一種平坦的單原子碳薄，可用于取代透明導(dǎo)電的ITO 電極用于有機(jī)太陽能電池。這些薄膜還用于取代顯示屏中的硅薄膜晶體管。石墨烯運(yùn)送電子的速度比硅快幾十倍，因而用石墨烯制成的晶體管工作得更快、更省電。美國南加州大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有機(jī)太陽電池。（6）其它美國倫斯勒理工學(xué)院的研究者最近發(fā)表的三項(xiàng)新研究成果表明石墨烯應(yīng)該用于制造風(fēng)力渦輪機(jī)和飛機(jī)機(jī)翼的增強(qiáng)復(fù)合材料。石墨烯可用作吸附劑、催化劑載體、熱傳輸媒體，可制成具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的電子元件，應(yīng)用于電池電容器，即使在生物技術(shù)方面也可得到應(yīng)用。2010 年，美國萊斯大學(xué)利用該石墨烯量子點(diǎn)，制作單分子傳感器。萊斯大學(xué)將石墨烯薄片與單層氦鍵合，形成石墨烷。氦使導(dǎo)電的石墨烯變換成為絕緣的石墨烷。研究人員移除石墨烯薄片兩面的氦原子島，就形成了被石墨烷絕緣體包圍的、微小的導(dǎo)電的石墨烯阱。該導(dǎo)電的石墨烯阱就可作為