石墨烯材料的介紹VIP

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是一種由碳原子

以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨

烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，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)”為由，共同獲得2010年

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，

只吸收2.3%的光】導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m?K,高于碳納米管和金剛

石，常溫下其電子遷移率*超過15000cm2/V?s,又比納米碳管或硅晶體

*高，而電阻率只約10-6Q?cm,比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材

料。因?yàn)樗碾娮杪蕵O低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展

出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是

一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太

陽能電池。

石墨烯另一個(gè)特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。

石墨烯的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(honeycombcrystallattice)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(jià)鍵所形成的原子尺寸網(wǎng)。石墨烯的命名來

自英文的graphite(石墨)+-ene(烯類結(jié)尾)。石墨烯被認(rèn)為是平面多環(huán)芳

香煌原子晶體。

石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳碳鍵(carbon-carbonbond)僅為

1.42AO石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時(shí),

碳原子面會(huì)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(dǎo)熱性。

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(huì)構(gòu)成石墨烯的缺陷。12個(gè)五角形石墨烯會(huì)共同

形成富勒烯。

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（ballistictransistor）并且吸引了大批科學(xué)家的興趣。在2006年3

月，佐治亞埋工學(xué)院研究員宣布，他們成功地制造了石墨烯平面場效應(yīng)品

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(jiān)硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導(dǎo)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。

石墨烯是一種二維晶體，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。發(fā)展簡史。第一:石墨烯是世界上強(qiáng)度最大的材料，據(jù)

測算如果用石墨烯制成厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚

度約100納米），那么它會(huì)能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷

裂；第二：石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料。

石墨烯的應(yīng)用范圍廣闊。根據(jù)石墨烯超薄，強(qiáng)度超大的特性，石墨烯可被

廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機(jī)材料等。根據(jù)其優(yōu)

異的導(dǎo)電性，使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯有可能會(huì)

成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)，碳

元素更高的電子遷移率可以使未來的計(jì)算機(jī)獲得更高的速度。另外石墨

烯材料還是一種優(yōu)良的改性劑，在新能源領(lǐng)域如超級(jí)電容器、鋰離子電池

方面，由于其高傳導(dǎo)性、高比表面積，可適用于作為電極材料助劑。

研究歷史

編輯

石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位

科學(xué)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，然后把

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)，把石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不

遠(yuǎn)了。因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)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(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)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(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅遠(yuǎn)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(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，一

般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了72%-81%的電能，石墨烯則不同，它

的電子能量不會(huì)被損耗，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性。

分子結(jié)構(gòu)

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石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點(diǎn)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(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，是最理想的二

維納米材料理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，可以看作是一層被

剝離的石墨分子，每個(gè)碳原子均為sp2朵化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上

的電子形成大兀鍵，兀電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)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。

材料區(qū)別

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碳元素引起了世界各國研究人員的極大興趣。自富勒烯和碳納米管被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以后，三

維的金剛石、“二維”的石墨、一維的碳納米管、零維的富勒球組成了完整的碳系家族。

其中石墨以其特殊的片層結(jié)構(gòu)一直以來是研究的一個(gè)熱點(diǎn).石墨本體并非是真正意義的二

維材料，單層石墨碳原子層(Graphene)才是準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)的碳材料。石墨可以看成是多層石

墨烯片堆垛而成，而前面介紹過的碳納米管可以看作是卷成圓筒狀的石墨烯。當(dāng)石墨熠的

晶格中存在五元環(huán)的晶格札石墨烯片會(huì)發(fā)生翹曲，富勒沫可以便看成通過多個(gè)六元環(huán)和

五元環(huán)按照適當(dāng)順序排列得到的o

材料特性

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電子運(yùn)輸

石墨烯在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)(如果不是所有的話)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落

不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚態(tài)物理界C雖然理

論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實(shí)驗(yàn)中

被制備出來。這些可能歸結(jié)于石墨烯在納米級(jí)別上的微觀扭曲。

石墨烯還表現(xiàn)出了異常的整數(shù)量子霍爾行為。其霍爾電導(dǎo)=2e2/h,6e2

/h,10e2/h.…為量子電導(dǎo)的奇數(shù)倍，且可以在室溫下觀測到。這個(gè)行為已

被科學(xué)家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對論量子力學(xué)，沒有靜質(zhì)量”。

導(dǎo)電導(dǎo)熱特性

石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情

況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原

子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)

構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電

子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因品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(qiáng)，在常溫E即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子

受到的干擾也非常小。

石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300,遠(yuǎn)遠(yuǎn)

超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確

地，應(yīng)稱為“載荷子"(electricchargecarrier),的性質(zhì)和相對論性的中

微子非常相似。

石墨烯有相當(dāng)?shù)牟煌该鞫龋嚎梢晕沾蠹s2.3%的可見光。而這也是石

墨烯中載荷子相對論性的體現(xiàn)。

加州大學(xué)河濱分校(UCRiverside)的AlexanderBalandin教授與其研究小組成員應(yīng)

用拉曼光譜偏移測量手段.測得懸空的單層石墨烯在室溫下可擁有4840W/mK的高熱導(dǎo)

率。石墨烯的高熱導(dǎo)率特性也進(jìn)一步支持石墨烯作為新電子器件材料的應(yīng)用前景。

機(jī)械特性

石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最

好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家對石墨烯的機(jī)械特性

進(jìn)行了全面的研究。在試驗(yàn)過程中，他們選取了一些直徑在10—2。微米

的石墨烯微粒作為研究對象。研究人員先是把這些石墨烯樣品放在了一個(gè)

表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在1—1.5微米之間。之后,

他們用金剛石制成的探針對這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測試

它們的承受能力。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每1。0納米距離

上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測算，這一結(jié)

果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長的石墨烯斷裂。如果物理

學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的(厚度約1。。納米)石

墨烯，那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。換句話說，如果

用石墨烯制成包裝袋，那么它會(huì)能承受大約兩噸重的物品。

電子的相互作用

利用世界上最強(qiáng)大的人造輻射源，美國加州大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)和勞

倫斯?伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了石墨烯特性新秘密：石墨烯中

電子間以與電子與蜂窩狀柵格間均存在著強(qiáng)烈的相互作用。

科學(xué)家借助了美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的“先進(jìn)光源（ALS）”

電子同步加速器。這個(gè)加速器產(chǎn)生的光輻射亮度相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上X射線強(qiáng)度

的1億倍?？茖W(xué)家利用這一強(qiáng)光源觀測發(fā)現(xiàn)，石墨烯中的電子不僅與蜂巢

晶格之間相互作用強(qiáng)烈，而且電子和電子之間也有很強(qiáng)的相互作用。

化學(xué)性質(zhì)

關(guān)于石墨烯化學(xué)知道的是：類似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各

種原子和分子。從表面化學(xué)的角度來看，石墨烯的性質(zhì)類似于石墨，可利

用石墨來推測石墨烯的性質(zhì)。石墨烯化學(xué)可能有許多潛在的應(yīng)用，然而要

石墨烯的化學(xué)性質(zhì)得到廣泛關(guān)注有一個(gè)不得不克服的障礙：缺乏適用于傳

統(tǒng)化學(xué)方法的樣品。這一點(diǎn)未得到解決，研究石墨烯化學(xué)會(huì)面臨重重困難。

記憶效應(yīng)

質(zhì)譜測定中的記憶效應(yīng)表現(xiàn)為一次涂樣測定的結(jié)果受到殘存在離子源內(nèi)測定過的同種樣

品的影響，當(dāng)前后樣品的待測同位素豐度相差越大時(shí)，記憶效應(yīng)帶來的影響也越大。在熱

電離質(zhì)譜測定中，記憶效應(yīng)主要由石墨烯表面吸附和樣品沉積兩種因素引起。有些活性強(qiáng)

的化合物的蒸氣與離子源內(nèi)表面接觸時(shí)會(huì)被吸附，吸附量的多少除了與化合物的性質(zhì)有關(guān)

外，還與離子源內(nèi)表面的材料與光潔度有關(guān)°

當(dāng)長期工作以后，樣品蒸氣在離子源內(nèi)表面的沉積會(huì)越來越多，特別是

在源的出口縫與離子光學(xué)透鏡的狹縫處，如果在高溫下工作，沉積在離

子源內(nèi)表面的樣品會(huì)受熱再次蒸發(fā)而被電離，影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。另

外一種情況，雖然測定的元素與離子源已沉積的元素不一樣，但它們是

同質(zhì)異位素，這樣離子源內(nèi)表面的沉積也會(huì)對測定結(jié)果帶來影響。記憶效

應(yīng)的強(qiáng)弱與所采用的樣品化合物的形式有關(guān)，如進(jìn)行鋰同位素測定時(shí)，

采用不同鋰化合物涂樣，定量測定的記憶的鋰量相差很大，其中以LiF

的記憶效應(yīng)最強(qiáng)。

制備方法

編輯

石墨烯的研究熱潮也吸引了國內(nèi)外材料制備研究的興趣，石墨烯材料的制備方法已報(bào)

道的有：機(jī)械剝離法、化學(xué)氧化法、品體外延生長法、化學(xué)氣相沉積法、有機(jī)合成法和碳納

米管剝離法等。

微機(jī)械剝離法

2004年，Geim等首次用微機(jī)械剝離法，成功地從高定向熱裂解石墨

(highlyorientedpyrolyticgraphite)上剝感并觀測到單層石墨烯。Geim

研究組利用這一方法成功制備了準(zhǔn)二維石墨烯并觀測到其形貌，揭示了石

墨烯二維晶體結(jié)構(gòu)存在的原因。微機(jī)械剝離法可以制備出高質(zhì)量石墨烯，

但存在產(chǎn)率低和成本高的不足，不滿足工業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)要求，只能作

為實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模制備。

化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法(ChemicalVaporDeposition,CVD)首次在規(guī)?；?/p>

制備石墨烯的問題方面有了新的突破(參考化學(xué)氣相沉積法制備高質(zhì)量石

墨烯)。CVD法是指反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)沉

積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。

麻省理工學(xué)院的Kong等、韓國成均館大學(xué)的Hong等和普渡大學(xué)的Chen等在利用

CVD法制備石墨烯。他們使用的是一種以銀為基片的管狀簡易沉積爐，通入含碳勺體，如：

碳?xì)浠衔铮诟邷叵路纸獬商荚映练e在鎮(zhèn)的表面，形成石墨烯，通過輕微的化學(xué)刻蝕，

使石墨烯薄膜和銀片分離得到石墨烯薄膜。這種薄膜在透光率為80%時(shí)電導(dǎo)率即可達(dá)到1.1

x106S/m,成為透明導(dǎo)電薄膜的潛在替代品。用CVD法可以制備出高質(zhì)量大面積的石墨烯,

但是理想的基片材料單晶鍥的價(jià)格太昂貴，這可能是影響石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的重要因素。

CVD法可以滿足規(guī)模化制備高質(zhì)量石眼烯的要求，但成本較高，工藝復(fù)雜。

氧化還原法

氧化■還原法制備成本低廉且容易實(shí)現(xiàn)，成為制備石墨烯的最佳方法，

而且可以制備穩(wěn)定的石墨烯懸浮液，解決了石墨烯不易分散的問題。氧化-

還原法是指把天然石墨與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化性物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨(GO),

經(jīng)過超聲分散制備成氧化石墨烯(單層氧化石墨)，加入還原劑去除氧化石

墨表面的含氧基團(tuán)，如竣基、環(huán)氧基和羥基，得到石墨烯。

氧化-還原法被提出后，以其簡單易行的工藝成為實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯

的最簡便的方法，得到廣大石墨烯研究者的青睞。Ruoff等發(fā)現(xiàn)通過加入

化學(xué)物質(zhì)例如二甲腓、對苯二酚、硼氫化鈉(NaBH4)和液腓等除去氧化石

墨烯的含氧基團(tuán)，就能得到石墨烯。氧化-還原法可以制備穩(wěn)定的石墨烯懸

浮液，解決了石墨烯難以分散在溶劑中的問題。

氧化-還原法的缺點(diǎn)是宏量制備容易帶來廢液污染和制備的石墨烯存

在一定的缺陷，例如，五元環(huán)、七元環(huán)等拓?fù)淙毕莼虼嬖?OH基團(tuán)的結(jié)構(gòu)

缺陷，這些會(huì)導(dǎo)致石墨烯部分電學(xué)性能的損失，使石墨烯的應(yīng)用受到限

制。

溶劑剝離法

溶劑剝離法的原理是把少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散

液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，此時(shí)溶劑可以插入石墨

層間，進(jìn)行層層剝離，制備出石墨烯。此方法不會(huì)像氧化-還原法那樣破壞

石墨烯的結(jié)構(gòu)，可以制備高質(zhì)量的石墨烯。在氮甲基毗咯烷酮中石墨烯的

產(chǎn)率最高（大約為8%）,電導(dǎo)率為6500S/m。研究發(fā)現(xiàn)高定向熱裂解石墨、

熱膨脹石墨和微品人造石墨適合用于溶劑剝離法制備石墨烯。溶劑剝離法

可以制備高質(zhì)量的石墨烯，整個(gè)液相剝離的過程沒有在石墨烯的表面引入

任何缺陷，為其在微電子學(xué)、多功能復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的

應(yīng)用前景。缺點(diǎn)是產(chǎn)率很低。

溶劑熱法

溶劑熱法是指在特制的密閉反應(yīng)器（高壓釜）中，采用有機(jī)溶劑作為反

應(yīng)介質(zhì)，通過把反應(yīng)體系加熱至臨界溫度（或接近臨界溫度），在反應(yīng)體系

中自身產(chǎn)生高壓而進(jìn)行材料制備的一種有效方法。

溶劑熱法解決了規(guī)?；苽涫┑膯栴}，同時(shí)也帶來了電導(dǎo)率很低

的負(fù)面影響。為解決由此帶來的不足，研究者把溶劑熱法和氧化還原法相

結(jié)合制備出了高質(zhì)量的石墨烯。Dai等發(fā)現(xiàn)溶劑熱條件下還原氧化石墨烯

制備的石墨烯薄膜電阻小于傳統(tǒng)條件下制備石墨烯。溶劑熱法因高溫高壓

封閉體系下可制備高質(zhì)量石墨烯的特點(diǎn)越來越受科學(xué)家的關(guān)注。溶劑熱法

和其他制備方法的結(jié)合會(huì)成為石墨烯制備的又一亮點(diǎn)。

其它方法

石墨烯的制備方法還有高溫還原、光照還原、外延晶體生長法、微波法、

電弧法、電化學(xué)法等。筆者在以上基礎(chǔ)上提出一種機(jī)械法制備納米石墨

烯微片的新方法，并嘗試宏量生產(chǎn)石墨烯的研究中取得較好的成果。如何

綜合運(yùn)用各種石墨烯制備方法的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，解決石墨烯的難溶解

性和不穩(wěn)定性的問題，完善結(jié)構(gòu)和電性能等是今后研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，

也為今后石墨烯的制備與合成開辟新的道路。

技術(shù)發(fā)展

編輯

美國能源部國家直線加速器實(shí)驗(yàn)室(SLAC)和斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)研究首次揭示了石墨

烯插層復(fù)合材料的超導(dǎo)機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)一種潛在的工藝能使石墨烯這個(gè)具有廣闊應(yīng)用前景的

“材料之王”獲得人們夢寐以求的超導(dǎo)性能。該研究有助于推動(dòng)石墨烯在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用，

開發(fā)出高速晶體管、納米傳感器和量:子計(jì)算設(shè)備。相關(guān)論文發(fā)表在2014年3月20日出版

的《自然通訊》雜志上。

石墨烯是一種呈蜂巢狀排列的單層碳原子結(jié)構(gòu)，是已知的最薄、強(qiáng)度

最高的物質(zhì)，具有優(yōu)良的物埋化學(xué)性能。科學(xué)家希望用石墨烯制成高速晶

體管、傳感器乃至透明電極。此前，人們就已知道摻雜金屬原子的石墨烯

插層材料具有二維超導(dǎo)性能。但科學(xué)家們一直無法確定超導(dǎo)性是來源于金

屬、石墨烯還是兩者兼而有之。新研究首次通過令人信服的證據(jù)，證明了

是石墨烯在其中起到了關(guān)鍵作用。為相關(guān)材料在納米級(jí)電子器件領(lǐng)域的應(yīng)

用鋪平了道路。

物理學(xué)家組織網(wǎng)2014年3月21日的報(bào)道中稱，研究人員是通過強(qiáng)

紫外線對一種名為鈣插層石墨烯(CaC6)的材料進(jìn)行研究后得出上述結(jié)

論的。CaC6是純鈣晶體與石墨發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所得到的石墨烯插層復(fù)合材

料，由單層碳原子石墨烯和單層原子鈣交替復(fù)合而成。

研究人員把一份來自英國倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)的CaC6樣品在斯坦

福同步輻射光源實(shí)驗(yàn)室(SSRL)進(jìn)行了分析。高強(qiáng)度的紫外線能夠幫助

他們深入到材料內(nèi)部進(jìn)行觀察，分清每層內(nèi)的電子是如何運(yùn)動(dòng)的。實(shí)驗(yàn)顯

示，電子在石墨烯和鈣原子層之間來回散射，與材料的原子結(jié)構(gòu)發(fā)生自然

振動(dòng)并發(fā)生配對，從而獲得了無電阻的導(dǎo)電性。

韓國研究人員在硅基底上成功合成了晶片級(jí)的高質(zhì)量多層石墨烯。該方

法基于一種離子注入技術(shù)，簡單而且可升級(jí)。這一成果使石墨烯離商業(yè)應(yīng)

用更近一步。晶片級(jí)的石墨烯可能是微電子線路中一個(gè)必不可少的組成

部分，但大部分石墨烯制造方法都與硅微電子器件不兼容，阻礙了石墨

烯從潛在材料向?qū)嶋H應(yīng)用的跨越。[2]

應(yīng)用前景

編輯

納電子器件方面

2005年，Geim研究組J與Kim研究組H發(fā)現(xiàn)，室溫下石墨烯具有

10倍于商用硅片的高載流子遷移率(約10am/V-s),并且受溫度和摻雜

效應(yīng)的影響很小，表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性(300K下可達(dá)

0.3m),這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢，使電子工程領(lǐng)域極具

吸引力的室溫彈道場效應(yīng)管成為可能。較大的費(fèi)米速度和低接觸電阻則有

助于進(jìn)一步減小器件開關(guān)時(shí)間，超高頻率的操作響應(yīng)特性是石墨烯基電子

器件的另一顯著優(yōu)勢。此外，石墨烯減小到納米尺度甚至單個(gè)苯環(huán)同樣保

持很好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，使探索單電子器件成為可能。

利用石墨烯加入電池電極材料中可以大大提高充電效率，并且提高電

池容量。自我裝配的多層石墨烯片不僅是鋰空氣電池的理想設(shè)計(jì)，也可以

應(yīng)用于許多其他潛在的能源存儲(chǔ)領(lǐng)域如超級(jí)電容器、電磁炮等。此外，新

型石墨烯材料不依賴于鉗或其他貴金屬，可有效降低成本和對環(huán)境的影

響。

代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還是已知導(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)，由干工程師們設(shè)法把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。研究人員甚至把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)。

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，這種傳感器

是用于檢測光纖中攜帶的信息的，現(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。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。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。

基因電子測序

由于導(dǎo)電的石墨烯的厚度小于DNA鏈中相鄰堿基之間的距離以與

DNA四種堿基之間存在電子指紋，因此，石墨烯有望實(shí)現(xiàn)直接的，快速的,

低成本的基因電子測序技術(shù)。

減少噪音

美國IBM宣布，通過重疊2層相當(dāng)于石墨單原子層的“石墨烯

(Graphene)”，試制成功了新型晶體管，同時(shí)發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特

有的1/f。石墨烯，試制成功了相同的晶體管，不過與預(yù)計(jì)的相反，發(fā)現(xiàn)能

夠大幅控制噪音。通過在二層石墨烯之間生成的強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制噪

音。噪聲。

隧穿勢壘材料

量子隧穿效應(yīng)是一種衰減波耦合效應(yīng)，其量子行為遵守薛定博波動(dòng)方程，應(yīng)用于電子

冷發(fā)射、量子計(jì)算、半導(dǎo)體物理學(xué)、超導(dǎo)體物理學(xué)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)勢壘材料采用氧化鋁、氧化

鎂等材料，由于其厚度不均、容易出現(xiàn)孔隙和電荷陷阱，通常具有較高的能耗和發(fā)熱量，影

響到了器件的性能和穩(wěn)定性，甚至引起災(zāi)難性失敗?；谑┰趯?dǎo)電、導(dǎo)熱和結(jié)構(gòu)方面的

優(yōu)勢，美國海軍研究試驗(yàn)空(NRL)將其作為量子隧穿勢金材料的首選。未來得石墨烯勢壘

有可能在隧穿晶體管、非揮發(fā)性磁性記憶體和可編程邏緝電路中率先得以應(yīng)用。

其它應(yīng)用

石墨烯還可以應(yīng)用于晶體管、觸摸屏、基因測序等領(lǐng)域，同時(shí)有望幫助物

理學(xué)家在量子物理學(xué)研究領(lǐng)域取得新突破。中國科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)

胞在石墨烯上無法生長，而人類細(xì)胞卻不會(huì)受損。利用這一點(diǎn)石墨烯可以

用來做繃帶，食品包裝甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光電化學(xué)電池可以取

代基于金屬的有機(jī)發(fā)光二極管,因石墨烯還可以取代燈具的傳統(tǒng)金屬石墨

電極，使之更易于回收。這種物質(zhì)不僅可以用來開發(fā)制造出紙片般薄的超

輕型飛機(jī)材料、制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢寐以求的2.3

萬英里長太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。

發(fā)展趨勢

編輯

石墨烯2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)把石墨烯帶入了人們的視線。2004年英國曼徹斯特

大學(xué)的安德烈?海姆教授和康斯坦丁?諾沃肖洛夫教授通過一種很簡單的方法從石墨薄片中

剝離出了石墨烯.為此他們二人也榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯行業(yè)仍在量產(chǎn)摸索階段，主要的制備方法有微機(jī)械剝離法、外

延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法;其中氧化石墨還原法優(yōu)于制備成

本相對較低，是主要制備方法。

石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好

的應(yīng)用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等等，都

需要良好的透明電導(dǎo)電極材料。特別是，石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性都比

常用材料氧化錮錫優(yōu)良;氧化錮錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內(nèi)的

石墨烯薄膜可以沉積于大面積區(qū)域。通過化學(xué)氣相沉積法，可以制成大面

積、連續(xù)的、透明、高電導(dǎo)率的少層石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的陽

極，并得到高達(dá)1.71%能量轉(zhuǎn)換效率;與用氧化錮錫材料制成的元件相比，

大約為其能量轉(zhuǎn)換效率的55.2%。作為新興產(chǎn)業(yè)，前瞻網(wǎng)指出。石墨烯

未來前途一片光明。

石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)形態(tài)，使其具備世界上最硬、最薄的特征，同時(shí)也具有

很強(qiáng)的韌性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。這些與其特殊的特性使其擁有無比巨大

的發(fā)展空間，未來可以應(yīng)用于電子、航天、光學(xué)、儲(chǔ)能、生物醫(yī)藥、日常

生活等大量領(lǐng)域?！丁笆濉逼陂g中國石墨烯行業(yè)深度市場調(diào)研與投資戰(zhàn)

略規(guī)劃分析報(bào)告》稱石墨烯集合世界上最優(yōu)質(zhì)的各種材料品質(zhì)于一身，故

有業(yè)內(nèi)人士如此評(píng)價(jià)：如果說2。世紀(jì)是硅的世紀(jì)，石墨烯則開創(chuàng)了21

世紀(jì)的新材料紀(jì)元，會(huì)給世界帶來實(shí)質(zhì)性變化。

諾貝爾獎(jiǎng)

編輯

石墨烯應(yīng)用范圍廣闊。根據(jù)石墨烯強(qiáng)度超大，超薄的特性，石墨烯可

被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，比如超薄超輕型飛機(jī)材料，超輕防彈衣等。根據(jù)其

優(yōu)異的導(dǎo)電性，使它在微電子的領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯有可

能會(huì)成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來超級(jí)計(jì)算機(jī)，碳

元素更高電子遷移率可以使未來的計(jì)算機(jī)獲得更高的速度。另外石墨烯材

料還是優(yōu)良的改性劑，在新能源領(lǐng)域如鋰離子電池、超級(jí)電容器方面，由

于其高傳導(dǎo)性、高比表面積，可用于作為電極材料助劑

在2004年石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中，當(dāng)時(shí)，英國曼徹斯特大學(xué)兩位科

學(xué)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方

法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離石墨片，然后把薄片兩面

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

的操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成薄片,

這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯新方法層出不窮，經(jīng)過5年的發(fā)展，人

們發(fā)現(xiàn)，把石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。因此，兩人于

2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

他們曾是師生，現(xiàn)在是同事，他們都出生于俄羅斯，都曾在那里學(xué)習(xí)，

也曾一同在荷蘭學(xué)習(xí)和研究，最后他們又一起在英國制備出了石墨烯。這

種神奇材料的誕生使安德烈-海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫獲得2010年

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

海姆和諾沃肖洛夫2004年制備出石墨烯。這是世界上最薄的材料，僅有

一個(gè)碳原子厚。與所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被

切成1納米寬的兀件，導(dǎo)電性也很好。此外，石墨烯單電子晶體管可在室

溫下工作。而作為熱導(dǎo)體，石墨烯比任何其他材料的導(dǎo)熱效果都好。

海姆和諾沃肖洛夫認(rèn)為，石墨烯晶體管已展示出優(yōu)點(diǎn)和良好性能，因此

石墨烯可能最終會(huì)替代硅。由于成果要經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)，許多諾貝爾科學(xué)

獎(jiǎng)項(xiàng)都是在獲得成果十幾或幾十年后才頒發(fā)。而石墨烯材料的制備成功

距今才6年時(shí)間，就獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，這使諾沃肖洛夫感到意外。他說：

“今天早上聽說這個(gè)消息時(shí)，我非常驚喜，第一個(gè)想法就是奔到實(shí)驗(yàn)室

告訴整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)?！倍Ｄ穭t表示，“我從沒想過獲諾貝爾獎(jiǎng)，昨天晚

上睡得很踏實(shí)”。

海姆認(rèn)為，獲得諾貝爾獎(jiǎng)的有兩種人：一種是獲獎(jiǎng)后就停止了研究，至此

終老一生再無成果;一種是生怕別人認(rèn)為他是偶然獲獎(jiǎng)的，因此在工作上

倍加努力?！拔以敢獬蔀榈诙N人，當(dāng)然我會(huì)像平常一樣走進(jìn)辦公室，繼

續(xù)努力工作，繼續(xù)平常生活。”

研究成果

編輯

最小最快石墨烯晶體管

2011年4月7日IBM向媒體展示了其最快的石墨烯晶體管，該產(chǎn)品

每秒能執(zhí)行155。億個(gè)循環(huán)操作，比之前的試驗(yàn)用品體管快50%。

該晶體管的截止頻率為155GHz,使得其速度更快的同時(shí)，也比IBM

展出的100GHz石墨烯晶體管具備了更多的能力。

IBM研究人員林育名表示，石墨烯晶體管成本較低，可以在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)

體生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，為石墨烯芯片的商業(yè)化生產(chǎn)提供了方向,

從而用于無線通信、網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)和影像等多個(gè)領(lǐng)域。

該晶體管的研制是IBM承接美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局的任務(wù)，研發(fā)

高性能無線電頻率晶體管，軍方對此很感興趣。它尚未可完全用于PC機(jī)，

因?yàn)樽匀皇┲腥鄙倌芟?，石墨烯晶體管不具備數(shù)碼切換操作需要的開

閉比，從而在處理離散數(shù)碼信號(hào)方面不如傳統(tǒng)處理器。

相比之下，石墨烯的連續(xù)能隙流使得其處理模擬信號(hào)的能力更強(qiáng)。通

過使用IBM改良的“類金剛石碳”，石墨烯晶體管的溫度穩(wěn)定性更強(qiáng)，同

時(shí)，它也是為止IBM最小的晶體管，選通脈沖寬度從55。納秒降到了40

納秒，而產(chǎn)品寬度為240納秒0

2011年成果

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。富士通研究所的研究人

員把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。

大面積的石墨烯制備一直是個(gè)難題。富士通用上述方法制成了高質(zhì)量

的7.5厘米直徑的石墨烯膜。在此基礎(chǔ)上，再配置電極和絕緣層，制成了

石墨烯晶體管。由于石墨烯面積較大，富士通在上面制成了幾千個(gè)晶體管。

石墨烯晶體管比硅晶體管功耗低和運(yùn)行速度快，可制作出性能優(yōu)良的半導(dǎo)

體器件。如果改進(jìn)技術(shù)后有望進(jìn)一步擴(kuò)大石墨烯面積，這樣能夠制作出更

多的晶體管和石墨烯集成電路，為生產(chǎn)高檔電子產(chǎn)品創(chuàng)造了條件。

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，把紅外

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，開發(fā)出高性能的激光器。

研究團(tuán)隊(duì)在硅襯底上使用有機(jī)氣體制作一層碳硅化合物。然后，進(jìn)行

熱處理，使其生長出石墨烯的薄膜。該石墨烯薄膜只需極短暫的時(shí)間照射

紅外線，就能從石墨皤上發(fā)送出太赫茲光。，該團(tuán)隊(duì)正致力于開發(fā)能把光

粒封閉在內(nèi)部，使光源強(qiáng)度增加的器件，期望能夠開發(fā)出在接近室溫條件

下可工作的太赫茲激光器。

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)把石墨烯薄片與單層氮鍵合，形成石墨烷。石墨烷是絕緣體。氫使

石墨烯由導(dǎo)體變換成為絕緣體。研究人員移除石墨烯薄片兩面的氨原子島,

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

烯阱就可作為量子阱。量子點(diǎn)的半導(dǎo)體特性要優(yōu)于體硅材料器件。這一技

術(shù)可用來制作化學(xué)傳感器、太陽能電池、醫(yī)療成像裝置或是納米級(jí)電路等。

全球最小光學(xué)調(diào)制器問世可高速傳輸信號(hào)一秒鐘內(nèi)下載一部高清電

影指日可待

據(jù)美國媒體今晨報(bào)道，美國華裔科學(xué)家使用納米材料石墨烯最新研制

出了一款調(diào)制器，科學(xué)家表示，這個(gè)只有頭發(fā)絲四百分之一細(xì)的光學(xué)調(diào)制

器具備的高速信號(hào)傳輸能力，有望把互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬倍，一秒鐘內(nèi)下

載一部高清電影指日可待。這項(xiàng)研究是由加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯國家

實(shí)驗(yàn)室的張翔教授、土楓助埋教授以與博士后劉明等組成的研究團(tuán)隊(duì)共同

完成的，研究論文于2011年6月2日在英國《自然》雜志上發(fā)表。這項(xiàng)

研究的突破點(diǎn)就在于，用石墨烯這種世界上最薄卻最堅(jiān)硬的納米材料，做

成一個(gè)高速、對熱不敏感，寬帶、廉價(jià)和小尺寸的調(diào)制器，從而解決了業(yè)

界長期未能解決的問題。

華人科研團(tuán)隊(duì)把石墨烯鋪展在一個(gè)硅波導(dǎo)管的頂部，建造出了這款能

打開或關(guān)閉光束的光調(diào)制器（調(diào)制器是控制數(shù)據(jù)傳輸速度的關(guān)鍵），把電

子信號(hào)轉(zhuǎn)化成光學(xué)信號(hào)傳輸數(shù)字信息。銅導(dǎo)線長距離傳輸速度最高可達(dá)

1。。兆，而每個(gè)石墨烯調(diào)制器的傳輸速度比銅導(dǎo)線快約千倍。如果把1。

個(gè)石墨烯調(diào)制器放在一起，傳輸速度可以達(dá)到百萬兆，上網(wǎng)速度會(huì)比現(xiàn)在

快1萬倍。價(jià)廉物美是石墨烯調(diào)制器的另一優(yōu)勢，”市場上的光學(xué)調(diào)制器

525。美元一個(gè)，而石墨烯調(diào)制器只需要幾美元”。相對于現(xiàn)有調(diào)制器幾個(gè)

平方毫米的體積，這種石墨烯調(diào)制器還具有體積小的優(yōu)勢，只有25平方

微米，且僅有頭發(fā)絲的四百分之一細(xì)，它可以放在電腦主板上的任何位

置。張翔教授表示，新石墨烯調(diào)制器不僅可用于消費(fèi)電子產(chǎn)品上，還可用

于任何受限于數(shù)據(jù)傳輸速度的領(lǐng)域，包括生物信息學(xué)以與天氣預(yù)報(bào)等，未

來也會(huì)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

低成本石墨烯電池或?qū)崿F(xiàn)“一分鐘充電”

據(jù)了解，美國俄亥俄州Nanotek儀器公司的研究人員利用鋰離子可

在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開發(fā)出一種新型儲(chǔ)能

設(shè)備，可以把充電時(shí)間從過去的數(shù)小時(shí)之久縮短到不到一分鐘。該研究發(fā)

表在出版的《納米快報(bào)》上。作為導(dǎo)電性、機(jī)械性能都很優(yōu)異的材料，素

來有“黑金子”之稱的石墨烯在中國市場上的價(jià)格近十倍于黃金，超過

2000元/克。

新型石墨烯電池實(shí)驗(yàn)階段的成功，無疑會(huì)成為電池產(chǎn)業(yè)的一個(gè)新的發(fā)

展點(diǎn)。電池技術(shù)是電動(dòng)汽車大力推廣和發(fā)展的最大門檻，而的電池產(chǎn)業(yè)正

處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲(chǔ)能設(shè)備的研制

成功后，若能批量生產(chǎn)，則會(huì)為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)帶來新的變革。

首款手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏研制成功

1月8日，江南石墨烯研究院對外發(fā)布，全球首款手機(jī)用石墨烯電容

觸摸屏在常州研制成功。該成果經(jīng)上?？茖W(xué)技術(shù)情報(bào)研究所和廈門大學(xué)查

實(shí)，顯示為國內(nèi)首創(chuàng)，

江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技有限公司聯(lián)合無錫麗格光電科

技有限公司和深圳力合光電傳感器技術(shù)有限公司共同研發(fā)的手機(jī)用石墨

烯電容觸摸屏項(xiàng)目，成功制成電容觸摸屏手機(jī)樣機(jī)，并完成了功能測試。

這款透明到幾乎用肉眼無法辨析的超級(jí)薄膜，具有現(xiàn)有智能手機(jī)觸摸屏的

基本功能，電容屏傳感器整個(gè)觸摸區(qū)域可以識(shí)別單指和雙指觸摸與進(jìn)行畫

線動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)圖片單指手勢左右拖動(dòng)與雙指手勢放大和旋轉(zhuǎn)，而這只是石

墨烯材料產(chǎn)品之一。

據(jù)此前相關(guān)報(bào)道稱，石墨烯的相關(guān)產(chǎn)品在國外還處于研發(fā)和概念機(jī)階

段，尚未有大規(guī)模制造與商業(yè)化。而此次首款手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏的

成功研制，表明了石墨烯產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室逐步走向了市場。

石墨烯光電傳感器

2012年8月，諾基亞的研發(fā)部門已經(jīng)在著手研究石墨烯光電傳感器,

并且已經(jīng)在美國專利和商標(biāo)局注冊了一項(xiàng)專利。

諾基亞石墨烯光電傳感器原理

在公布的專利描述中，帶有石墨烯光電收集層的光電探測器/像素，

由一些列手指狀的電極被安置在石墨烯收集層上，用來收集光子透過時(shí)產(chǎn)

生的電子空洞，石墨烯納米帶作為場效應(yīng)晶體管對隨之產(chǎn)生的電流進(jìn)行放

大，并將其轉(zhuǎn)移到相連的電子控制元件上。多層探測和放大層被互相疊放,

以此來吸收和過濾相應(yīng)顏色的光C

石墨烯作為光電傳感器材料的優(yōu)勢就在于其透光性。這種單層的六邊

形碳原子材料僅僅吸收2.3%的光，并使所有光譜的光均勻地通過（紅外

線、可見光和紫外線）。因此，對于諾基亞的團(tuán)隊(duì)來說，這在光線不足的

條件下肯定比傳統(tǒng)的CMOS傳感器具備更好的性能。同時(shí)，石墨烯傳感器

比傳統(tǒng)傳感器薄許多，因此你的下一個(gè)4100萬像素的PureView手持設(shè)

備肯定不會(huì)是像諾基亞808那樣的大塊頭。此外，石墨烯傳感器比的

CMOS在生產(chǎn)工藝和流程方面更簡單，造價(jià)更便宜。

的石墨烯生產(chǎn)由于種種原因，還僅停留于實(shí)驗(yàn)室階段，而用石墨烯制

造的傳感器，也表現(xiàn)出了照片響應(yīng)差、噪音多等問題。因此諾基亞或許會(huì)

不斷提升和研發(fā)這種石墨烯光電傳感器的性能。

國內(nèi)首片15英寸單層石墨烯問世

與現(xiàn)有手機(jī)觸摸屏材料相比，石墨烯優(yōu)點(diǎn)更多，被認(rèn)為是世界上最薄、

幾乎完全透光、強(qiáng)度也最大的材料。，中科院重慶研究院正在與廣東地區(qū)的

風(fēng)投機(jī)構(gòu)商談，力爭讓石墨烯在一年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

你想用上屏幕可以來回彎曲折疊的手機(jī)嗎?采用石墨烯材料，就可能變

成現(xiàn)實(shí)。采用可折疊屏幕后，即使手機(jī)屏變得更大了,但攜帶起來還是很方

便。從中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院（簡稱中科院重慶研究院）了解到，該

院已經(jīng)成功制備出國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，這樣的大尺寸,達(dá)到了

國內(nèi)最高水平。它或?yàn)槭謾C(jī)、電腦等電子產(chǎn)品帶來一場革命。

世界上最薄的納米材料，透光性好,能折疊

據(jù)介紹，石墨烯是由碳原子組成的單原子層平面薄膜，可以作為制備新

型觸摸屏的核心部分一一透明電極的材料。

與現(xiàn)有手機(jī)觸摸屏材料相比，石墨烯優(yōu)點(diǎn)更多，被認(rèn)為是世界上最薄、

幾乎完全透光、強(qiáng)度也最大的材料。

它究竟薄到哪種程度？中科院重慶研究院微納制造與系統(tǒng)集成研究中

心副主任史浩飛解釋，石墨烯只有0.34納米厚，粗略估計(jì)一下，一根頭發(fā)絲

的直徑，大概等于十萬層石墨烯疊加起來的厚度，所以用肉眼是看不見它

的。它自身只吸收約2.3%的光，能夠做到幾乎完全透光,讓觸摸屏亮度更好,

同時(shí)，還能保證很高的電導(dǎo)率，這對于過去那些觸摸屏材料來說，是難以同

時(shí)解決的?！斑^去認(rèn)為鉆石熱導(dǎo)率最高，但是石墨烯是它的2倍?！?/p>

值得一提的是，石墨烯還具備很好的柔性，也即是說，它在一定程度上可

以彎曲折疊，不會(huì)對屏幕造成損害。

“從這些優(yōu)點(diǎn)來看,石墨烯特別適合在電子信息產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用。像IBM、

三星這些大企業(yè)，都相當(dāng)關(guān)注它的發(fā)展?！笔泛骑w說。

成功制備7英寸的石墨烯觸摸屏

據(jù)悉，自2。。4年被發(fā)現(xiàn)以來，如何解決大面積、高質(zhì)量石墨烯制備和

快速高效轉(zhuǎn)移兩大關(guān)鍵問題，讓石墨烯應(yīng)用于透明電極中，一直困擾著很多

研究者。

“如果電阻觸摸屏要采用這種材料，需要先在金屬表面上催化生長石

墨烯,再把它轉(zhuǎn)移到適合的基底上，才能進(jìn)行應(yīng)用。”史浩飛告訴記者，這就

相當(dāng)于在一個(gè)足球場上鋪一層薄薄的保鮮膜，要讓它平平整整且完好無損，

難度特別大。

據(jù)介紹，通過“石墨烯透明電極關(guān)鍵技術(shù)”研究,他們采用工業(yè)原料如

塑料、液態(tài)苯等作為有效碳源，在300℃的低溫下生長出高質(zhì)量的石墨烯。

，中科院重慶研究院已經(jīng)在銅箔襯底上生長出15英寸的均勻單層石墨

烯，并成功將其完整地轉(zhuǎn)移到柔性PET襯底上和其他基底表面，并且通過進(jìn)

一步應(yīng)用，還制備出了7英寸的石墨烯觸摸屏，

在中科院重慶研究院的實(shí)驗(yàn)室里，記者看到，研究人員把石墨烯觸摸屏

貼在一臺(tái)普通筆記本電腦的顯示屏上，調(diào)試完畢后，用手寫筆就能輕松地在

屏幕上寫字。

新型石墨烯晶體管實(shí)現(xiàn)高開關(guān)比率

英國曼徹斯特大學(xué)的科研人員設(shè)計(jì)出一種新型石墨烯品體管，在其中

電子可借助隧穿和熱離子效應(yīng)，同時(shí)從上方和下方穿越障礙，并在室溫下

展現(xiàn)出高達(dá)1x106的開關(guān)比率。

石墨烯晶體管獲得較高的開關(guān)比率一直難以實(shí)現(xiàn)，而有了高開關(guān)比，

以與其在柔性、透明基板上的操作能力，新型晶體管能夠在后CMOS設(shè)備

時(shí)代占有一席之地，并有望達(dá)到更快的計(jì)算速度。相關(guān)研究發(fā)表在出版的

《自然-納米技術(shù)》雜志上。

石墨烯晶體管多具有三明治結(jié)構(gòu)，以原子厚度的石墨烯作為外層，而

以其他超薄材料作為中間夾層。這些中間層可以囊括多種不同材料。在此

次的研究中，科學(xué)家使用二硫化鴇（WS2）作為中間層，其能夠作為兩個(gè)

石墨烯夾層之間原子厚度的壁壘。與其他壁壘材料相比，二硫化鴇的最大

優(yōu)勢在于，電子可借助熱感子運(yùn)輸方式從上方越過障礙，也可利用隧穿效

應(yīng)從下方穿過障礙。處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，極少電子能借助上述方式穿越障礙,

但當(dāng)調(diào)至開啟狀態(tài)時(shí)，電子既能選用一種方式逾越壁壘，亦能同時(shí)選擇兩

種方式以實(shí)現(xiàn)類似效果。

開關(guān)間切換會(huì)改變晶體管的柵電壓。負(fù)柵電壓會(huì)形成關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)?/p>

其會(huì)增加隧穿障礙高度，因此幾乎沒有電子能夠越過壁壘。而正柵電壓能

通過降低隧穿障礙的高度使晶體管轉(zhuǎn)換至開啟狀態(tài)。同時(shí)，如果溫度足夠

高，亦可借助熱離子電流從上方越過壁壘。在低電壓和低溫的情況下，隧

穿電流與電壓呈線性關(guān)聯(lián)。但當(dāng)處于高壓下時(shí)，隧穿電流會(huì)隨電壓呈現(xiàn)指

數(shù)增長，此時(shí)熱離子電流就會(huì)成為主要的傳輸機(jī)制。

利用上述特質(zhì)和二硫化鶴壁壘材料，新晶體管成為性能最佳的石墨烯

品體管之一。此外，由于僅具有幾個(gè)原子層的厚度，新型品體管能夠耐受

彎曲，未來更有望應(yīng)用于柔性、透明電子設(shè)備的制造，成為后CMOS設(shè)備

時(shí)代的有力備選。

碳海綿：碳納米管和石墨烯共同支撐起無數(shù)個(gè)孔隙的三維多孔材料

2013年3月，浙江大學(xué)高分子系高超教授的課題組制備出了一種超

輕氣凝膠一一它刷新了世界上最輕材料的紀(jì)錄，彈性和吸油能力令人驚

喜。這種被稱為“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度為每立方厘米616毫克,

僅是空氣密度的1/6。它的價(jià)值在于其簡便的制備方法，以與材料所展現(xiàn)

出來的優(yōu)越性能。不需要模板，只與容器有關(guān)。容器多大，就可以制備多

大，可以做到上千立方厘

米，甚至更大。

“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對有機(jī)溶劑

具有超快、超高的吸附力，是已報(bào)道的吸油力最高的材料?，F(xiàn)有的吸油產(chǎn)

品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是25。

倍左右，最高可達(dá)90。倍，而且只吸油不吸水?！按笪竿酢背杂袡C(jī)物的速

度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機(jī)物。

純石墨烯粉末制成柔性散熱薄膜

2013年4月2日，貴州新碳高科有限責(zé)任公司宣布研制成功出中國

首個(gè)純石墨烯粉末產(chǎn)品——柔性石墨烯散熱薄膜。此次發(fā)布的中國首個(gè)石

墨烯粉末應(yīng)用產(chǎn)品“柔性石墨烯散熱薄膜”，由貴州新碳高科有限責(zé)任公

司研發(fā)和生產(chǎn)，由上海新池能源科技有限公司提供穩(wěn)定的、量產(chǎn)規(guī)模的石

墨烯粉末。新碳高科建立了年產(chǎn)2萬平米生產(chǎn)線，已成功生產(chǎn)100。平方

米石墨烯柔性散熱薄膜產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用了單片厚度1-5個(gè)原子層，橫向

尺寸0.5-5微米，比表面積500-1000m/g的高質(zhì)量石墨烯粉末，通過制

備高濃度不團(tuán)聚的石墨烯溶液，利用輻涂技術(shù)(Rollt。Roll)形成有良好

定向性的石墨烯微片層狀結(jié)構(gòu)，然后在高溫特定氣氛下還原，使石墨烯微

片邊緣晶粒長大，最后擴(kuò)展成為大面積連續(xù)二維結(jié)構(gòu)的石墨烯柔性散熱薄

膜。產(chǎn)品熱擴(kuò)散率達(dá)到700-900M2/S,熱導(dǎo)率在800-1600W/(mk)。

其散熱效果比常用的散熱材料銅(熱導(dǎo)率429W/(mk)要提高2-4倍，而

且具有良好的可加工性能。

南開大學(xué)研制成功石墨烯材料可用光驅(qū)動(dòng)飛行

2015年6月，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授和物理學(xué)院田建國教授領(lǐng)導(dǎo)

的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過3年的研究，獲得了一種特殊的石墨烯材料，這種材料

可在包括太陽光在內(nèi)的各種光源照射下驅(qū)動(dòng)飛行，其獲得的驅(qū)動(dòng)力是傳

統(tǒng)光壓的10。0倍以上，“光動(dòng)”飛行或?qū)⒊蔀榭赡?。?/p>

規(guī)模生產(chǎn)

編輯

全球首條石墨烯生產(chǎn)線慈溪開工，在慈溪市慈東濱海區(qū)，年產(chǎn)300噸

石墨烯項(xiàng)目正緊鑼密鼓籌建中。不久之后，這里會(huì)出現(xiàn)全球第一條石墨烯

生產(chǎn)線。

受此影響，21日石墨烯概念股受到追捧，華麗家族早間漲停，一度觸

與漲停的工大高新也有近9%的漲幅，中鋼吉炭、中國寶安、金路集團(tuán)等

概念股均有不同程度漲幅。

“石墨烯是世界上已發(fā)現(xiàn)的最、最堅(jiān)硬的納米材料，它不但可以用來

開發(fā)制造紙片一樣的超輕型飛機(jī)材料，還能做出超堅(jiān)韌的防彈衣。”寧波

墨西科技有限公司總經(jīng)理林立新興奮地說，據(jù)保守估計(jì)，這種材料僅替代

市場的潛力就有數(shù)十億甚至上百億元。

歷時(shí)三年成功研制石墨烯產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目

石墨烯2(X)8年10月，從美國紐約州立大學(xué)博士后畢業(yè)的劉兆平，應(yīng)聘進(jìn)入中科院寧

波材料所，領(lǐng)銜攻關(guān)制備石墨烯的新技術(shù)。他還給自己剛出生的女兒取名“劉墨?！?。

這個(gè)項(xiàng)目吸引了眾多寧波民營企業(yè)的目光，他們有的已經(jīng)嘗到新材料

產(chǎn)業(yè)的甜頭，有的希望借石墨烯項(xiàng)目拓展到新材料領(lǐng)域，有的想通過引進(jìn)

石墨烯技術(shù)提升自身產(chǎn)品品質(zhì)。

當(dāng)時(shí)，劉兆平團(tuán)隊(duì)的石墨烯項(xiàng)目尚停留在實(shí)驗(yàn)階段，距離產(chǎn)業(yè)化還有

一段不短的路。正是這段看似坎坷的路，讓素以“穩(wěn)健”和“精明”著稱

的寧波民企開始怯步。

“石墨烯項(xiàng)目市場前景確實(shí)很好，但是能不能等你們技術(shù)成熟后，再

轉(zhuǎn)讓給我們？”“首期付款就要幾千萬元，你們能不能降低價(jià)格，等項(xiàng)目

產(chǎn)生效益后再支付更多的費(fèi)用？”……這是在與30余位寧波民企老板的

頻繁接觸中，中科院寧波材料所技術(shù)轉(zhuǎn)移辦公室副主任俞建偉聽的最多的

話。

年7月，劉兆平團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)建成「年產(chǎn)3。噸的石墨烯中試生產(chǎn)

線。

“石墨烯制備成本很高，每克要5000元，是黃金價(jià)格的十幾倍?，F(xiàn)

在，人們會(huì)制造成本降到了每克3元?！眲⒄灼秸f，這意味著石墨烯項(xiàng)目

可以走向產(chǎn)業(yè)化，成為大量供給的工業(yè)原料。兩個(gè)月后，在2011中國科

技創(chuàng)業(yè)計(jì)劃大賽上，“石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”項(xiàng)目獲得海外人才創(chuàng)業(yè)特別獎(jiǎng)

一等獎(jiǎng)。

引起國內(nèi)外震動(dòng)險(xiǎn)些花落他鄉(xiāng)

寧波材料所的石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，在國內(nèi)外引起了不小的震動(dòng)。石墨烯項(xiàng)

目的市場價(jià)值，也由實(shí)驗(yàn)階段的幾千萬元提升到上億元。

而與這個(gè)項(xiàng)目有過接觸的寧波民企，卻在為投資門坎一下子提高那么多

而發(fā)愁，猶豫再三后，還是遲遲未能出手。此時(shí)，外來競爭者已經(jīng)悄悄逼

近。很多外地企業(yè)或投資機(jī)構(gòu)紛紛慕名前來，希望引進(jìn)這個(gè)項(xiàng)目。

柔性集體

編輯

石墨烯具有高導(dǎo)電性和良好的柔韌性，是柔性儲(chǔ)能器件的理想候選材料

之一。金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室在前期制備出具有三維

連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯泡沫的基礎(chǔ)上（NatureMaterials10（6）,424,

2011）,利用該材料作為高導(dǎo)電的柔性集流體，設(shè)計(jì)并制備出可快速充

放電的柔性鋰離子電池。研究人員把三維連通的石墨烯網(wǎng)絡(luò)作為集流體,

取代電池中常用的金屬集流體，不僅可有效降低電極中非活性物質(zhì)的比

例，且三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)的高導(dǎo)電性和多孔結(jié)構(gòu)為鋰離子和電子提供了快

速擴(kuò)散通道，可實(shí)現(xiàn)電極材料的快速充放電性能。為了在不使用粘結(jié)劑和

導(dǎo)電添加劑的情況下實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)和石墨烯集流體的良好接觸以促進(jìn)電

子傳輸和提高彎折時(shí)電極材料的穩(wěn)定性，研究人員發(fā)展了原位水熱合成

方法，在石墨烯三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上直接生長活性物質(zhì)，如磷酸鐵鋰和

鈦酸鋰。把磷酸鐵鋰/石墨烯和鈦酸鋰/石墨烯復(fù)合材料分別作為正負(fù)極,

采用柔性硅膠為封裝體，組裝了具有很好柔性的鋰離子全電池。該柔性鋰

離子電池在彎曲時(shí)，其充放電特性保持不變，并可在6分鐘內(nèi)完成充電

（達(dá)到初始容量的90%）,在100次循環(huán)之后容量保持率在96%0

該研究為高性能柔性鋰離子電池的設(shè)計(jì)和制備提出了一種新思路.這種

可快速充電的柔性鋰離子電池的制備工藝簡單，具有潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)

值。該研究成果于10月8日在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上在線發(fā)表

（PNAS,2012,）o此外，該研究團(tuán)隊(duì)還充分利用石墨烯和碳納米管的優(yōu)

異特性，發(fā)展出超級(jí)電容器和鋰-硫電池用柔性電極材料（ACSNano3

(7),1745,2009;AdvancedEnergyMaterials1(5),917,2011;

Energy&EnvironmentalScience5,8901,2012),為柔性儲(chǔ)能器件

的開發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部

和中科院有關(guān)項(xiàng)目的資助。

潛在作用

編輯

1.石墨烯有抗菌物質(zhì)：中科院上海分院某位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯氧化物

對于抑制大腸桿菌的生長超級(jí)有效，而且不會(huì)傷害到人體細(xì)胞。假若石墨

烯氧化物對其他細(xì)菌也具有抗菌性，則可能找到一系列新的應(yīng)用，像自動(dòng)

除去氣味的鞋子，對有害菌導(dǎo)致的便秘進(jìn)行快速消除，或保存食品新鮮的

包裝。這可是與人們的生活密切相關(guān)的哦。

2.石墨烯能夠淡化海水：研究表明，石墨烯過濾器可能大幅度的勝過

其他的海水淡化技術(shù)。如果能夠與水分子分解發(fā)電技術(shù)結(jié)合，水、電就會(huì)

成為非常廉價(jià)的產(chǎn)品，人類就不會(huì)為缺水、停電煩惱。

3、石墨烯能夠作為太陽能電池：南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室

報(bào)告高度透明的石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積法在2008年的大規(guī)模生產(chǎn)。

在這個(gè)過程中，研究人員創(chuàng)建超薄的石墨烯片，方法是在甲烷氣體中的銀

板上，由首先沉積的碳原子形成石墨烯薄膜的形式。然后，他們在石墨烯

層之上鋪下一層熱塑性保護(hù)層，并且在酸浴中溶解掉下面的鍥。在最后的

步驟中，他們把塑料保護(hù)的石墨烯附著到一個(gè)非常靈活的聚合物片材，它

可以被納入一個(gè)有機(jī)太陽能電池(OPV電池，石墨烯光伏電池)。石墨烯/

聚合物片材已被生產(chǎn)，大小范圍在150平方厘米，和可以用來生產(chǎn)靈活的

有機(jī)太陽能電池（OPV電池）。這可能最終有可能運(yùn)行能覆蓋廣泛的地區(qū)

的廉價(jià)太陽能電池，就像報(bào)紙印刷機(jī)的印刷報(bào)紙一樣。

4.石墨烯具備作為優(yōu)秀的集成電路電子器件的理想性質(zhì)。石墨烯具有

高的載流子遷移率（carriermobility）,以與低噪聲，允許它被用作在場

效應(yīng)晶體管的通道。問題是單層的石墨烯制造困難，更難作出適當(dāng)?shù)幕濉?/p>

根據(jù)2010年1月的一份報(bào)告中，對SiC外延生長石墨烯的數(shù)量和質(zhì)

量適合大規(guī)模生產(chǎn)的集成電路。在高溫下，在這些樣品中的量子霍爾效應(yīng)

可以被測量。另請參閱IBM在2010年的工作的晶體管一節(jié)中，速度快的

晶體管'處埋器’制造了2-英寸（51-毫米）的石墨烯薄片。然而在2011年

6月，IBM的研究人員宣布，他們已經(jīng)成功地創(chuàng)造了第一個(gè)石墨烯為基礎(chǔ)

的集成電路-寬帶無線混頻器。電路處理頻率高達(dá)10GHz,其性能不受溫

度可高達(dá)127攝氏度的影響。

5.石墨烯可以用于超級(jí)電容器的導(dǎo)電電極，因石墨烯具有特高的表面

面積對質(zhì)量比例?？茖W(xué)家認(rèn)為這種超級(jí)電容器的儲(chǔ)存能量密度會(huì)大于現(xiàn)有

的電容器。

6、石墨烯生物器件。由于石墨烯的可修改化學(xué)功能、大接觸面積、

原子尺時(shí)厚度、分子閘極結(jié)構(gòu)等等特色，應(yīng)用于細(xì)菌偵測與診斷器件，石

墨烯是個(gè)很優(yōu)良的選擇。

科學(xué)家希望能夠發(fā)展出一種快速與便宜的快速電子DNA定序科技。

它們認(rèn)為石墨烯是一種具有這潛能的材料?；径?，他們想要用石墨烯

制成一個(gè)尺寸大約為DNA寬度的納米洞，讓DNA分子游過這納米洞。由

于DNA的四個(gè)堿基(A、C、G、T)會(huì)對于石墨烯的電導(dǎo)率有不同的

影響，只要測量DNA分子通過時(shí)產(chǎn)生的微小電壓差異，就可以知道到底

是哪一個(gè)堿基正在游過納米洞。這樣，就可以達(dá)成目的。

7、作為導(dǎo)熱材料或者熱界面材料。2011年，美國佐治亞理工學(xué)院

(GeorgiaInstituteofTechnology)學(xué)者首先報(bào)道了垂直排列官能化多層

石墨烯三維立體結(jié)構(gòu)在熱界面材料中的應(yīng)用與其超高等效熱導(dǎo)率和超低

界面熱阻。

8、單分子氣體偵測。石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使它在傳感器領(lǐng)域具有光明

的應(yīng)用前景。巨大的表面積使它對周圍的環(huán)境非常敏感