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石墨烯（Graphene）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，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(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，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，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（monocrystalline silicon）高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子跑的速度極快，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。

石墨烯另一個特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。

發(fā)現(xiàn)歷史

在本質(zhì)上，石墨烯是分離出來的單原子層平面石墨。按照這說法，自從20世紀初，X射線晶體學(xué)的創(chuàng)立以來，科學(xué)家就已經(jīng)開始接觸到石墨烯了。1918年，V. Kohlschütter和P. Haenni詳細地描述了石墨氧化物紙的性質(zhì)（graphite oxide paper）。1948年，G. Ruess和F. Vogt發(fā)表了最早用透射電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯（層數(shù)在3層至10層之間的石墨烯）圖像。

關(guān)于石墨烯的制造與發(fā)現(xiàn)，最初，科學(xué)家試著使用化學(xué)剝離法（chemical exfoliation method）來制造石墨烯。他們將大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨層間化合物。在其三維結(jié)構(gòu)中，每一層石墨可以被視為單層石墨烯。經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)處理，除去嵌入的大原子或大分子后，會得到一堆石墨烯爛泥。由于難以分析與控制這堆爛泥的物理性質(zhì)，科學(xué)家并沒有繼續(xù)這方面研究。還有一些科學(xué)家采用化學(xué)氣相沉積法，將石墨烯薄膜外延生長（epitaxial growth）于各種各樣襯底（substrate），但初期品質(zhì)并不優(yōu)良。

于2004年，曼徹斯特大學(xué)和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子工藝研究所（Institute for Microelectronics Technology）的兩組物理團隊共同合作，首先分離出單獨石墨烯平面。海姆和團隊成員偶然地發(fā)現(xiàn)了一種簡單易行的制備石墨烯的新方法。他們將石墨片放置在塑料膠帶中， 折疊膠帶粘住石墨薄片的兩側(cè)，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復(fù)這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構(gòu)成——他們制得了石墨烯。當然，僅僅是制備是不夠的。通常，石墨烯會隱藏于一大堆石墨殘渣，很難得會如理想一般地緊貼在基板上；所以要找到實驗數(shù)量的石墨烯，猶如東海撈針。甚至在范圍小到1 cm2的區(qū)域內(nèi)，使用那時代的尖端科技，都無法找到。海姆的秘訣是，如果將石墨烯放置在鍍有在一定厚度的氧化硅的硅片上。利用光波的干涉效應(yīng)，就可以有效地使用光學(xué)顯微鏡找到這些石墨烯。這是一個非常精準的實驗；例如，假若氧化硅的厚度相差超過5%，不是正確數(shù)值300nm，而是315nm，就無法觀測到單層石墨烯。

近期，學(xué)者研究在各種不同材料基底上面的石墨烯的可見度和對比度，同時也提供一種簡單易行可見度增強方法。另外，使用拉曼顯微學(xué)（Raman microscopy）的技術(shù)做初步辨認，也可以增加篩選效率。

于2005年，同樣曼徹斯特大學(xué)團隊與哥倫比亞大學(xué)的研究者證實石墨烯的準粒子（quasiparticle）是無質(zhì)量迪拉克費米子（Dirac fermion）。類似這樣的發(fā)現(xiàn)引起一股研究石墨烯的熱潮。從那時起，上百位才學(xué)兼優(yōu)的研究者踏進這嶄新領(lǐng)域。

現(xiàn)在，眾所皆知，每當石墨被刮磨時，像用鉛筆畫線時，就會有微小石墨烯碎片被制成，同時也會產(chǎn)生一大堆殘渣。在2004/05年以前，沒有人注意到這些殘渣碎片有什么用處，因此，石墨烯的發(fā)現(xiàn)應(yīng)該歸功于海姆團隊，他們?yōu)楣腆w物理學(xué)發(fā)掘了一顆閃亮的新星。

制備方法

機械剝離法制備

在2008那年，由機械剝離法制備得到的石墨烯乃世界最貴的材料之一，人發(fā)截面尺寸的微小樣品需要花費$1,000。漸漸地，隨著制備程序的規(guī)模化，成本降低很多。現(xiàn)在，公司行號能夠以公噸為計量單位來買賣石墨烯。換另一方面，生長于碳化硅表面上的石墨烯晶膜的價錢主要決定于基板成本，在2009年大約為$100/cm2。使用化學(xué)氣相沉積法，將碳原子沉積于鎳金屬基板，形成石墨烯，浸蝕去鎳金屬后，轉(zhuǎn)換沉積至其它種基板。這樣，可以更便宜地制備出尺寸達30英吋寬的石墨烯薄膜。

撕膠帶法/輕微摩擦法

最普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。2004年，海姆等用這種方法制備出了單層石墨烯，并可以在外界環(huán)境下穩(wěn)定存在。典型制備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進行摩擦，體相石墨的表面會產(chǎn)生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。但缺點是此法利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地制造長度足供應(yīng)用的石墨薄片樣本。

碳化硅表面外延生長

該法是通過加熱單晶碳化硅脫除硅，在單晶（0001）面上分解出石墨烯片層。具體過程是：將經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至1250~1450℃后恒溫1min~20min，從而形成極薄的石墨層，經(jīng)過幾年的探索，克萊爾·伯格（Claire Berger）等人已經(jīng)能可控地制備出單層或是多層石墨烯。在C-terminated表面比較容易得到高達100層的多層石墨烯。其厚度由加熱溫度決定，制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。

金屬表面生長

取向附生法是利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850℃后,之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子“孤島”布滿了整個基質(zhì)表面，最終它們可長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋8 0 ％后，第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產(chǎn)生強烈的相互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現(xiàn)令人滿意。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會影響碳層的特性。另外彼得·瑟特（Peter Sutter）等使用的基質(zhì)是稀有金屬釕。

氧化減薄石墨片法

石墨烯也可以通過加熱氧化的辦法一層一層的減薄石墨片，從而得到單、雙層石墨烯。

肼還原法

將氧化石墨烯紙（graphene oxide paper）置入純肼溶液（一種氫原子與氮原子的化合物），這溶液會使氧化石墨烯紙還原為單層石墨烯。

乙氧鈉裂解

一份于2008年發(fā)表的論文，描述了一種程序，能夠制造達到公克數(shù)量的石墨烯。首先用鈉金屬還原乙醇，然后將得到的乙醇鹽（ethoxide）產(chǎn)物裂解，經(jīng)過水沖洗除去鈉鹽，得到黏在一起的石墨烯，再用溫和聲波振動（sonication）振散，即可制成公克數(shù)量的純石墨烯。

切割碳納米管法

切割碳納米管也是制造石墨烯帶的正在試驗中的方法。其中一種方法用過錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多層壁碳納米管（Multi-walled carbon nanotubes）。另外一種方法使用等離子體刻蝕（plasma etching）一部分嵌入于聚合物的納米管。

石墨的聲波處理法

這方法包含分散在合適的液體介質(zhì)中的石墨，然后被超聲波處理。通過離心分離，非膨脹石墨最終從石墨烯中被分離。這種方法是由Hernandez等人首次提出，他得到的石墨烯濃度達到了0.01 mg/ml在N-甲基吡咯烷酮（N-methylpyrrolidone, NMP）。然后，該方法主要是被多個研究小組改善。特別是，它得到了在意大利的阿爾貝托·馬里亞尼（Alberto Mariani）小組的極大改善。Mariani等人達到在NMP中的濃度為2.1mg/ml（在該溶劑中是最高的）。同一小組發(fā)表的最高的石墨烯的濃度是在已報告的迄今在任何液體中的和通過任意的方法得到的。一個例子是使用合適的離子化液體作為分散介質(zhì)用于石墨剝離；在此培養(yǎng)基中獲得了非常高的濃度為5.33mg/ml。

應(yīng)用領(lǐng)域

單分子氣體偵測

石墨烯獨特的二維結(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。即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。這檢測目前可以分為直接檢測和間接檢測。通過穿透式電子顯微鏡可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程[60]。通過測量霍爾效應(yīng)方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當一個氣體分子被吸附于石墨烯表面時，吸附位置會發(fā)生電阻的局域變化。當然，這種效應(yīng)也會發(fā)生于別種物質(zhì)，但石墨烯具有高電導(dǎo)率和低噪聲的優(yōu)良品質(zhì)，能夠偵測這微小的電阻變化。

石墨烯納米帶

為了要賦予單層石墨烯某種電性，會按照特定樣式切割石墨烯，形成石墨烯納米帶（Graphene nanoribbon）。切開的邊緣形狀可以分為鋸齒形和扶手椅形。采用緊束縛近似模型做出的計算，預(yù)測鋸齒形具有金屬鍵性質(zhì)，又預(yù)測扶手椅形具有金屬鍵性質(zhì)或半導(dǎo)體性質(zhì)；到底是哪種性質(zhì)，要依寬度而定?？墒?，近來根據(jù)密度泛函理論計算得到的結(jié)果，顯示出扶手椅形具有半導(dǎo)體性質(zhì)，其能隙與納米帶帶寬成反比[61]。實驗結(jié)果確實地展示出，隨著納米帶帶寬減小，能隙會增大。但是，直至2008年2月，尚沒有任何測量能隙的實驗試著辨識精確邊緣結(jié)構(gòu)。

石墨烯納米帶的結(jié)構(gòu)具有高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、低噪聲，這些優(yōu)良品質(zhì)促使石墨烯納米帶成為集成電路互連材料的另一種選擇，有可能替代銅金屬。有些研究者試著用石墨烯納米帶來制成量子點，他們在納米帶的某些特定位置改變寬度，形成量子禁閉（quantum confinement）。

石墨烯納米帶的低維結(jié)構(gòu)具有非常重要的光電性能：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和寬帶光增益。這些優(yōu)良品質(zhì)促使石墨烯納米帶放在微腔或納米腔體中形成激光器[64]和放大器。 根據(jù)2012年10月的一份研究表明有些研究者試著用石墨烯納米帶應(yīng)用于光通信系統(tǒng)，發(fā)展石墨烯納米帶激光器。

集成電路

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（carrier mobility），以及低噪聲，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?shù)幕濉?/p>

根據(jù)2010年1月的一份報告中，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'處理器'制造了2英寸（51毫米）的石墨烯薄片。

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10GHz，其性能在高達127℃的溫度下不受影響。

石墨烯晶體管

2005年，Geim研究組與Kim研究組發(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（300 K下可達0.3 m），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。較大的費米速度和低接觸電阻則有助于進一步減小器件開關(guān)時間，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。在現(xiàn)代技術(shù)下，石墨烯納米線可以證明一般能夠取代硅作為半導(dǎo)體。

透明導(dǎo)電電極

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、有機光伏電池、有機發(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，石墨烯的機械強度和柔韌性都比常用材料氧化銦錫優(yōu)良。由于氧化銦錫脆度較高，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1.71%能量轉(zhuǎn)換效率；與用氧化銦錫材料制成的元件相比，大約為其能量轉(zhuǎn)換效率的55.2%。

導(dǎo)熱材料/熱界面材料

2011年,美國佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）學(xué)者首先報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)用及其超高等效熱導(dǎo)率和超低界面熱阻。

場發(fā)射源及其真空電子器件

早在2002年，垂直于基底表面的石墨烯納米墻就被成功制備出來。它被看作是非常優(yōu)良場致發(fā)射電子源材料。最近關(guān)于單片石墨烯的電場致電子發(fā)射效應(yīng)也見諸報道。

超級電容器

由于石墨烯具有特高的表面面積對質(zhì)量比例，石墨烯可以用于超級電容器的導(dǎo)電電極?？茖W(xué)家認為這種超級電容器的儲存能量密度會大于現(xiàn)有的電容器。

海水淡化

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)。

太陽能電池

南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院的實驗室報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鎳板上，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一層熱塑性保護層，并且在酸浴中溶解掉下面的鎳。在最后的步驟中，他們把塑料保護的石墨烯附著到一個非常靈活的聚合物片材，它可以被納入一個有機太陽能電池（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)靈活的有機太陽能電池 (OPV電池）。這可能最終有可能運行能覆蓋廣泛的地區(qū)的廉價太陽能電池，就像報紙印刷機的印刷報紙一樣（卷到卷, roll-to-roll）。

2010年，Xinming Li和Hongwei Zhu等人首次將石墨烯與硅結(jié)合構(gòu)建了一種新型的太陽能電池。在這種簡易的石墨烯/硅模型中，石墨烯不僅可以作為透明導(dǎo)電薄膜，還可以在與硅的界面處分離光生載流子。這種可以與傳統(tǒng)硅材料結(jié)合的結(jié)構(gòu)，為推動基于石墨烯的光伏器件開辟了新的研究方向。

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、原子尺吋厚度、分子閘極結(jié)構(gòu)等等特色，應(yīng)用于細菌偵測與診斷器件，石墨烯是個很優(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的四個堿基（A、C、G、T）會對于石墨烯的電導(dǎo)率有不同的影響，只要測量DNA分子通過時產(chǎn)生的微小電壓差異，就可以知道到底是哪一個堿基正在游過納米洞。這樣，就可以達成目的。

抗菌物質(zhì)

中國科學(xué)院上海分院的科學(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有效，而且不會傷害到人體細胞。假若石墨烯氧化物對其他細菌也具有抗菌性，則可能找到一系列新的應(yīng)用，像自動除去氣味的鞋子，或保存食品新鮮的包裝。

石墨烯感光元件

一群來自新加坡專精于石墨烯材質(zhì)研究的科學(xué)家們，現(xiàn)在研發(fā)出將石墨烯應(yīng)用于相機感光元件的最新技術(shù)，可望徹底顛覆未來的數(shù)位感光元件技術(shù)發(fā)展。

新加坡南洋理工大學(xué)學(xué)者，研發(fā)出了一個以石墨烯作為感光元件材質(zhì)的新型感光元件，可望透過其特殊結(jié)構(gòu)，讓感光元件感光能力比起傳統(tǒng)CMOS或CCD要好上1,000倍，而且損耗的能源也僅需原本的1/10。這個感度感覺幾乎提升到爆表的最新感光元件技術(shù)，根據(jù)資料，實際上還真的厲害到超出人眼可視的中紅外線范圍。

與許多新的感光元件技術(shù)相同，這項技術(shù)初期將率先被應(yīng)用在監(jiān)視器與衛(wèi)星影像領(lǐng)域之中。但研究也指出，此技術(shù)終將應(yīng)用在一般的數(shù)碼相機 / 攝影機之上，而且還提到假若真的進入消費領(lǐng)域，他們承諾這個以石墨烯打造的最新感光元件，還可讓制造成本壓到現(xiàn)今的1/5低。是說，看過石墨烯應(yīng)用在電池領(lǐng)域堪稱神奇的技術(shù)進展后，好像也不難想像它將對攝影帶來的技術(shù)沖擊（更高感度、更省電、更便宜）。