石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。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，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨

烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理

學家安德烈?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性實驗”為由，共同獲得2010年

諾貝爾物理學獎。

石墨烯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】導熱系數高達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

*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。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展

出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質上是

一種透明、良好的導體，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。

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)排列構成的單層二維晶體。石

墨烯可想像為由碳原子和其共價鍵所形成的原子尺寸網。石墨烯的命名來

自英文的graphite(石墨)+-ene(烯類結尾)。石墨烯被認為是平面多環芳

香煌原子晶體。

石墨烯的結構非常穩定，碳碳鍵(carbon-carbonbond)僅為

1.42AO石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力于石墨烯時,

碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結

構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。

石墨烯是構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，則會構成石墨烯的缺陷。12個五角形石墨烯會共同

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家的興趣。在2006年3

月，佐治亞埋工學院研究員宣布，他們成功地制造了石墨烯平面場效應品

體管，并觀測到了量子干涉效應，并基于此結果，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,

質料非常牢固堅硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨

烯的原子尺寸結構非常特殊，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。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度

的單層就是石墨烯。發展簡史。第一:石墨烯是世界上強度最大的材料，據

測算如果用石墨烯制成厚度相當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：石墨烯是世界上導電性最好的材料。

石墨烯的應用范圍廣闊。根據石墨烯超薄，強度超大的特性，石墨烯可被

廣泛應用于各領域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機材料等。根據其優

異的導電性，使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。石墨烯有可能會

成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機，碳

元素更高的電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。另外石墨

烯材料還是一種優良的改性劑，在新能源領域如超級電容器、鋰離子電池

方面，由于其高傳導性、高比表面積，可適用于作為電極材料助劑。

研究歷史

編輯

石墨烯出現在實驗室中是在2004年，當時，英國曼徹斯特大學的兩位

科學家安德烈?杰姆和克斯特亞?諾沃消洛夫發現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，

經過5年的發展，人們發現，把石墨烯帶入工業化生產的領域已為時不

遠了。因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學獎。

石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾，人們發現，石墨烯具有非同

尋常的導電性能、超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性，它的出現有望

在現代電子科技領域引發一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷

移，而傳統的半導體和導體，例如硅和銅遠沒有石墨烯表現得好。由于電

子和原子的碰撞，傳統的半導體和導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了72%-81%的電能，石墨烯則不同，它

的電子能量不會被損耗，這使它具有了非比尋常的優良特性。

分子結構

編輯

石墨烯是由碳六元環組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點陣結構，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

構成其他石墨材料的基本單元。

石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，是最理想的二

維納米材料理想的石墨烯結構是平面六邊形點陣，可以看作是一層被

剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2朵化，并貢獻剩余一個p軌道上

的電子形成大兀鍵，兀電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導電性。二維

石墨烯結構可以看是形成所有sp2雜化碳質材料的基本組成單元。

材料區別

編輯

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家發現以后，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構一直以來是研究的一個熱點.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)才是準二維結構的碳材料。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。當石墨熠的

晶格中存在五元環的晶格札石墨烯片會發生翹曲，富勒沫可以便看成通過多個六元環和

五元環按照適當順序排列得到的o

材料特性

編輯

電子運輸

石墨烯在發現石墨烯以前，大多數(如果不是所有的話)物理學家認為，熱力學漲落

不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發現立即震撼了凝聚態物理界C雖然理

論和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩定存在，但是單層石墨烯在實驗中

被制備出來。這些可能歸結于石墨烯在納米級別上的微觀扭曲。

石墨烯還表現出了異常的整數量子霍爾行為。其霍爾電導=2e2/h,6e2

/h,10e2/h.…為量子電導的奇數倍，且可以在室溫下觀測到。這個行為已

被科學家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對論量子力學，沒有靜質量”。

導電導熱特性

石墨烯結構非常穩定，研究者仍未發現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，當施加外部機械力時，碳原

子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了結

構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電

子在軌道中移動時，不會因品格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原

子間作用力十分強，在常溫E即使周圍碳原子發生擠撞，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動速度達到了光速的1/300,遠遠

超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確

地，應稱為“載荷子"(electricchargecarrier),的性質和相對論性的中

微子非常相似。

石墨烯有相當的不透明度：可以吸收大約2.3%的可見光。而這也是石

墨烯中載荷子相對論性的體現。

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

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

率。石墨烯的高熱導率特性也進一步支持石墨烯作為新電子器件材料的應用前景。

機械特性

石墨烯是人類已知強度最高的物質，比鉆石還堅硬，強度比世界上最

好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學的物理學家對石墨烯的機械特性

進行了全面的研究。在試驗過程中，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

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。

研究人員發現，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到了大約2.9微牛。據科學家們測算，這一結

果相當于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長的石墨烯斷裂。如果物理

學家們能制取出厚度相當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

利用世界上最強大的人造輻射源，美國加州大學、哥倫比亞大學和勞

倫斯?伯克利國家實驗室的物理學家發現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烈的相互作用。

科學家借助了美國勞倫斯伯克利國家實驗室的“先進光源（ALS）”

電子同步加速器。這個加速器產生的光輻射亮度相當于醫學上X射線強度

的1億倍。科學家利用這一強光源觀測發現，石墨烯中的電子不僅與蜂巢

晶格之間相互作用強烈，而且電子和電子之間也有很強的相互作用。

化學性質

關于石墨烯化學知道的是：類似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各

種原子和分子。從表面化學的角度來看，石墨烯的性質類似于石墨，可利

用石墨來推測石墨烯的性質。石墨烯化學可能有許多潛在的應用，然而要

石墨烯的化學性質得到廣泛關注有一個不得不克服的障礙：缺乏適用于傳

統化學方法的樣品。這一點未得到解決，研究石墨烯化學會面臨重重困難。

記憶效應

質譜測定中的記憶效應表現為一次涂樣測定的結果受到殘存在離子源內測定過的同種樣

品的影響，當前后樣品的待測同位素豐度相差越大時，記憶效應帶來的影響也越大。在熱

電離質譜測定中，記憶效應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

的化合物的蒸氣與離子源內表面接觸時會被吸附，吸附量的多少除了與化合物的性質有關

外，還與離子源內表面的材料與光潔度有關°

當長期工作以后，樣品蒸氣在離子源內表面的沉積會越來越多，特別是

在源的出口縫與離子光學透鏡的狹縫處，如果在高溫下工作，沉積在離

子源內表面的樣品會受熱再次蒸發而被電離，影響測定結果的準確性。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

同質異位素，這樣離子源內表面的沉積也會對測定結果帶來影響。記憶效

應的強弱與所采用的樣品化合物的形式有關，如進行鋰同位素測定時，

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

的記憶效應最強。

制備方法

編輯

石墨烯的研究熱潮也吸引了國內外材料制備研究的興趣，石墨烯材料的制備方法已報

道的有：機械剝離法、化學氧化法、品體外延生長法、化學氣相沉積法、有機合成法和碳納

米管剝離法等。

微機械剝離法

2004年，Geim等首次用微機械剝離法，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二維石墨烯并觀測到其形貌，揭示了石

墨烯二維晶體結構存在的原因。微機械剝離法可以制備出高質量石墨烯，

但存在產率低和成本高的不足，不滿足工業化和規模化生產要求，只能作

為實驗室小規模制備。

化學氣相沉積法

化學氣相沉積法(ChemicalVaporDeposition,CVD)首次在規模化

制備石墨烯的問題方面有了新的突破(參考化學氣相沉積法制備高質量石

墨烯)。CVD法是指反應物質在氣態條件下發生化學反應，生成固態物質沉

積在加熱的固態基體表面，進而制得固體材料的工藝技術。

麻省理工學院的Kong等、韓國成均館大學的Hong等和普渡大學的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：

碳氫化合物，它在高溫下分解成碳原子沉積在鎮的表面，形成石墨烯，通過輕微的化學刻蝕，

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%時電導率即可達到1.1

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

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

CVD法可以滿足規模化制備高質量石眼烯的要求，但成本較高，工藝復雜。

氧化還原法

氧化■還原法制備成本低廉且容易實現，成為制備石墨烯的最佳方法，

而且可以制備穩定的石墨烯懸浮液，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酸和強氧化性物質反應生成氧化石墨(GO),

經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，如竣基、環氧基和羥基，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驗室制備石墨烯

的最簡便的方法，得到廣大石墨烯研究者的青睞。Ruoff等發現通過加入

化學物質例如二甲腓、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，就能得到石墨烯。氧化-還原法可以制備穩定的石墨烯懸

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、七元環等拓撲缺陷或存在-OH基團的結構

缺陷，這些會導致石墨烯部分電學性能的損失，使石墨烯的應用受到限

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，此時溶劑可以插入石墨

層間，進行層層剝離，制備出石墨烯。此方法不會像氧化-還原法那樣破壞

石墨烯的結構，可以制備高質量的石墨烯。在氮甲基毗咯烷酮中石墨烯的

產率最高（大約為8%）,電導率為6500S/m。研究發現高定向熱裂解石墨、

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

可以制備高質量的石墨烯，整個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、多功能復合材料等領域的應用提供了廣闊的

應用前景。缺點是產率很低。

溶劑熱法

溶劑熱法是指在特制的密閉反應器（高壓釜）中，采用有機溶劑作為反

應介質，通過把反應體系加熱至臨界溫度（或接近臨界溫度），在反應體系

中自身產生高壓而進行材料制備的一種有效方法。

溶劑熱法解決了規模化制備石墨烯的問題，同時也帶來了電導率很低

的負面影響。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

結合制備出了高質量的石墨烯。Dai等發現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量石墨烯的特點越來越受科學家的關注。溶劑熱法

和其他制備方法的結合會成為石墨烯制備的又一亮點。

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、電化學法等。筆者在以上基礎上提出一種機械法制備納米石墨

烯微片的新方法，并嘗試宏量生產石墨烯的研究中取得較好的成果。如何

綜合運用各種石墨烯制備方法的優勢，取長補短，解決石墨烯的難溶解

性和不穩定性的問題，完善結構和電性能等是今后研究的熱點和難點，

也為今后石墨烯的制備與合成開辟新的道路。

技術發展

編輯

美國能源部國家直線加速器實驗室(SLAC)和斯坦福大學的一項研究首次揭示了石墨

烯插層復合材料的超導機制，并發現一種潛在的工藝能使石墨烯這個具有廣闊應用前景的

“材料之王”獲得人們夢寐以求的超導性能。該研究有助于推動石墨烯在超導領域的應用，

開發出高速晶體管、納米傳感器和量:子計算設備。相關論文發表在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構，是已知的最薄、強度

最高的物質，具有優良的物埋化學性能。科學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性能。但科學家們一直無法確定超導性是來源于金

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，證明了

是石墨烯在其中起到了關鍵作用。為相關材料在納米級電子器件領域的應

用鋪平了道路。

物理學家組織網2014年3月21日的報道中稱，研究人員是通過強

紫外線對一種名為鈣插層石墨烯(CaC6)的材料進行研究后得出上述結

論的。CaC6是純鈣晶體與石墨發生化學反應所得到的石墨烯插層復合材

料，由單層碳原子石墨烯和單層原子鈣交替復合而成。

研究人員把一份來自英國倫敦大學學院(UCL)的CaC6樣品在斯坦

福同步輻射光源實驗室(SSRL)進行了分析。高強度的紫外線能夠幫助

他們深入到材料內部進行觀察，分清每層內的電子是如何運動的。實驗顯

示，電子在石墨烯和鈣原子層之間來回散射，與材料的原子結構發生自然

振動并發生配對，從而獲得了無電阻的導電性。

韓國研究人員在硅基底上成功合成了晶片級的高質量多層石墨烯。該方

法基于一種離子注入技術，簡單而且可升級。這一成果使石墨烯離商業應

用更近一步。晶片級的石墨烯可能是微電子線路中一個必不可少的組成

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

烯從潛在材料向實際應用的跨越。[2]

應用前景

編輯

納電子器件方面

2005年，Geim研究組J與Kim研究組H發現，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

效應的影響很小，表現出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性(300K下可達

0.3m),這是石墨烯作為納電子器件最突出的優勢，使電子工程領域極具

吸引力的室溫彈道場效應管成為可能。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時間，超高頻率的操作響應特性是石墨烯基電子

器件的另一顯著優勢。此外，石墨烯減小到納米尺度甚至單個苯環同樣保

持很好的穩定性和電學性能，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計，也可以

應用于許多其他潛在的能源存儲領域如超級電容器、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境的影

響。

代替硅生產超級計算機

科學家發現，石墨烯還是已知導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。高頻電路是現代電子工業的領頭羊，一些電子

設備，例如手機，由干工程師們設法把越來越多的信息填充在信號中，它

們被要求使用越來越高的頻率，然而手機的工作頻率越高，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，高頻提升的發

展前景似乎變得無限廣闊了。這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛

力。研究人員甚至把石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產未來的超級計

算機。

光子傳感器

石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現在更大的市場上，這種傳感器

是用于檢測光纖中攜帶的信息的，現在，這個角色還在由硅擔當，但硅的

時代似乎就要結束。IBM的一個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。因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其他材料具有更優良的透

光性。

基因電子測序

由于導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，石墨烯有望實現直接的，快速的,

低成本的基因電子測序技術。

減少噪音

美國IBM宣布，通過重疊2層相當于石墨單原子層的“石墨烯

(Graphene)”，試制成功了新型晶體管，同時發現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，不過與預計的相反，發現能

夠大幅控制噪音。通過在二層石墨烯之間生成的強電子結合，從而控制噪

音。噪聲。

隧穿勢壘材料

量子隧穿效應是一種衰減波耦合效應，其量子行為遵守薛定博波動方程，應用于電子

冷發射、量子計算、半導體物理學、超導體物理學等領域。傳統勢壘材料采用氧化鋁、氧化

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

響到了器件的性能和穩定性，甚至引起災難性失敗。基于石墨烯在導電、導熱和結構方面的

優勢，美國海軍研究試驗空(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、非揮發性磁性記憶體和可編程邏緝電路中率先得以應用。

其它應用

石墨烯還可以應用于晶體管、觸摸屏、基因測序等領域，同時有望幫助物

理學家在量子物理學研究領域取得新突破。中國科研人員發現細菌的細

胞在石墨烯上無法生長，而人類細胞卻不會受損。利用這一點石墨烯可以

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電池可以取

代基于金屬的有機發光二極管,因石墨烯還可以取代燈具的傳統金屬石墨

電極，使之更易于回收。這種物質不僅可以用來開發制造出紙片般薄的超

輕型飛機材料、制造出超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學家夢寐以求的2.3

萬英里長太空電梯成為現實。

發展趨勢

編輯

石墨烯2010年的諾貝爾物理學獎把石墨烯帶入了人們的視線。2004年英國曼徹斯特

大學的安德烈?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年諾貝爾物理學獎。

石墨烯行業仍在量產摸索階段，主要的制備方法有微機械剝離法、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于制備成

本相對較低，是主要制備方法。

石墨烯良好的電導性能和透光性能，使它在透明電導電極方面有非常好

的應用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機光伏電池、有機發光二極管等等，都

需要良好的透明電導電極材料。特別是，石墨烯的機械強度和柔韌性都比

常用材料氧化錮錫優良;氧化錮錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內的

石墨烯薄膜可以沉積于大面積區域。通過化學氣相沉積法，可以制成大面

積、連續的、透明、高電導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，

大約為其能量轉換效率的55.2%。作為新興產業，前瞻網指出。石墨烯

未來前途一片光明。

石墨烯特殊的結構形態，使其具備世界上最硬、最薄的特征，同時也具有

很強的韌性、導電性和導熱性。這些與其特殊的特性使其擁有無比巨大

的發展空間，未來可以應用于電子、航天、光學、儲能、生物醫藥、日常

生活等大量領域。《“十二五”期間中國石墨烯行業深度市場調研與投資戰

略規劃分析報告》稱石墨烯集合世界上最優質的各種材料品質于一身，故

有業內人士如此評價：如果說2。世紀是硅的世紀，石墨烯則開創了21

世紀的新材料紀元，會給世界帶來實質性變化。

諾貝爾獎

編輯

石墨烯應用范圍廣闊。根據石墨烯強度超大，超薄的特性，石墨烯可

被廣泛應用于各領域，比如超薄超輕型飛機材料，超輕防彈衣等。根據其

優異的導電性，使它在微電子的領域也具有巨大的應用潛力。石墨烯有可

能會成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來超級計算機，碳

元素更高電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。另外石墨烯材

料還是優良的改性劑，在新能源領域如鋰離子電池、超級電容器方面，由

于其高傳導性、高比表面積，可用于作為電極材料助劑

在2004年石墨烯出現在實驗室中，當時，英國曼徹斯特大學兩位科

學家安德烈-杰姆和克斯特亞?諾沃消洛夫發現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，經過5年的發展，人

們發現，把石墨烯帶入工業化生產領域已為時不遠了。因此，兩人于

2010年獲得諾貝爾物理學獎。

他們曾是師生，現在是同事，他們都出生于俄羅斯，都曾在那里學習，

也曾一同在荷蘭學習和研究，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

諾貝爾物理學獎。

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

一個碳原子厚。與所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度穩定，即使被

切成1納米寬的兀件，導電性也很好。此外，石墨烯單電子晶體管可在室

溫下工作。而作為熱導體，石墨烯比任何其他材料的導熱效果都好。

海姆和諾沃肖洛夫認為，石墨烯晶體管已展示出優點和良好性能，因此

石墨烯可能最終會替代硅。由于成果要經得起時間考驗，許多諾貝爾科學

獎項都是在獲得成果十幾或幾十年后才頒發。而石墨烯材料的制備成功

距今才6年時間，就獲得了諾貝爾獎，這使諾沃肖洛夫感到意外。他說：

“今天早上聽說這個消息時，我非常驚喜，第一個想法就是奔到實驗室

告訴整個研究團隊。”而海姆則表示，“我從沒想過獲諾貝爾獎，昨天晚

上睡得很踏實”。

海姆認為，獲得諾貝爾獎的有兩種人：一種是獲獎后就停止了研究，至此

終老一生再無成果;一種是生怕別人認為他是偶然獲獎的，因此在工作上

倍加努力。“我愿意成為第二種人，當然我會像平常一樣走進辦公室，繼

續努力工作，繼續平常生活。”

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，該產品

每秒能執行155。億個循環操作，比之前的試驗用品體管快50%。

該晶體管的截止頻率為155GHz,使得其速度更快的同時，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，可以在標準半導

體生產過程中表現出優良的性能，為石墨烯芯片的商業化生產提供了方向,

從而用于無線通信、網絡、雷達和影像等多個領域。

該晶體管的研制是IBM承接美國國防部高級研究計劃局的任務，研發

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，

因為自然石墨烯中缺少能隙，石墨烯晶體管不具備數碼切換操作需要的開

閉比，從而在處理離散數碼信號方面不如傳統處理器。

相比之下，石墨烯的連續能隙流使得其處理模擬信號的能力更強。通

過使用IBM改良的“類金剛石碳”，石墨烯晶體管的溫度穩定性更強，同

時，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國際會議上，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難題。富士通用上述方法制成了高質量

的7.5厘米直徑的石墨烯膜。在此基礎上，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晶體管。

石墨烯晶體管比硅晶體管功耗低和運行速度快，可制作出性能優良的半導

體器件。如果改進技術后有望進一步擴大石墨烯面積，這樣能夠制作出更

多的晶體管和石墨烯集成電路，為生產高檔電子產品創造了條件。

2009年11月日本東北大學與會津大學通過合作研究發現，石墨烯可

產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，只需很短時間就能放射出太赫茲光。如果今后能

夠繼續改進技術，使光源強度進一步增大，開發出高性能的激光器。

研究團隊在硅襯底上使用有機氣體制作一層碳硅化合物。然后，進行

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間照射

紅外線，就能從石墨皤上發送出太赫茲光。，該團隊正致力于開發能把光

粒封閉在內部，使光源強度增加的器件，期望能夠開發出在接近室溫條件

下可工作的太赫茲激光器。

2010年，美國萊斯大學利用該石墨烯量子點，制作單分子傳感器。萊

斯大學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、微小的導電的石墨烯阱。該導電的石墨

烯阱就可作為量子阱。量子點的半導體特性要優于體硅材料器件。這一技

術可用來制作化學傳感器、太陽能電池、醫療成像裝置或是納米級電路等。

全球最小光學調制器問世可高速傳輸信號一秒鐘內下載一部高清電

影指日可待

據美國媒體今晨報道，美國華裔科學家使用納米材料石墨烯最新研制

出了一款調制器，科學家表示，這個只有頭發絲四百分之一細的光學調制

器具備的高速信號傳輸能力，有望把互聯網速度提高一萬倍，一秒鐘內下

載一部高清電影指日可待。這項研究是由加州大學伯克利分校勞倫斯國家

實驗室的張翔教授、土楓助埋教授以與博士后劉明等組成的研究團隊共同

完成的，研究論文于2011年6月2日在英國《自然》雜志上發表。這項

研究的突破點就在于，用石墨烯這種世界上最薄卻最堅硬的納米材料，做

成一個高速、對熱不敏感，寬帶、廉價和小尺寸的調制器，從而解決了業

界長期未能解決的問題。

華人科研團隊把石墨烯鋪展在一個硅波導管的頂部，建造出了這款能

打開或關閉光束的光調制器（調制器是控制數據傳輸速度的關鍵），把電

子信號轉化成光學信號傳輸數字信息。銅導線長距離傳輸速度最高可達

1。。兆，而每個石墨烯調制器的傳輸速度比銅導線快約千倍。如果把1。

個石墨烯調制器放在一起，傳輸速度可以達到百萬兆，上網速度會比現在

快1萬倍。價廉物美是石墨烯調制器的另一優勢，”市場上的光學調制器

525。美元一個，而石墨烯調制器只需要幾美元”。相對于現有調制器幾個

平方毫米的體積，這種石墨烯調制器還具有體積小的優勢，只有25平方

微米，且僅有頭發絲的四百分之一細，它可以放在電腦主板上的任何位

置。張翔教授表示，新石墨烯調制器不僅可用于消費電子產品上，還可用

于任何受限于數據傳輸速度的領域，包括生物信息學以與天氣預報等，未

來也會廣泛應用于工業領域。

低成本石墨烯電池或實現“一分鐘充電”

據了解，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動的特性，開發出一種新型儲能

設備，可以把充電時間從過去的數小時之久縮短到不到一分鐘。該研究發

表在出版的《納米快報》上。作為導電性、機械性能都很優異的材料，素

來有“黑金子”之稱的石墨烯在中國市場上的價格近十倍于黃金，超過

2000元/克。

新型石墨烯電池實驗階段的成功，無疑會成為電池產業的一個新的發

展點。電池技術是電動汽車大力推廣和發展的最大門檻，而的電池產業正

處于鉛酸電池和傳統鋰電池發展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲能設備的研制

成功后，若能批量生產，則會為電池產業乃至電動車產業帶來新的變革。

首款手機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布，全球首款手機用石墨烯電容

觸摸屏在常州研制成功。該成果經上海科學技術情報研究所和廈門大學查

實，顯示為國內首創，

江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技有限公司聯合無錫麗格光電科

技有限公司和深圳力合光電傳感器技術有限公司共同研發的手機用石墨

烯電容觸摸屏項目，成功制成電容觸摸屏手機樣機，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薄膜，具有現有智能手機觸摸屏的

基本功能，電容屏傳感器整個觸摸區域可以識別單指和雙指觸摸與進行畫

線動作，實現圖片單指手勢左右拖動與雙指手勢放大和旋轉，而這只是石

墨烯材料產品之一。

據此前相關報道稱，石墨烯的相關產品在國外還處于研發和概念機階

段，尚未有大規模制造與商業化。而此次首款手機用石墨烯電容觸摸屏的

成功研制，表明了石墨烯產品從實驗室逐步走向了市場。

石墨烯光電傳感器

2012年8月，諾基亞的研發部門已經在著手研究石墨烯光電傳感器,

并且已經在美國專利和商標局注冊了一項專利。

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產

生的電子空洞，石墨烯納米帶作為場效應晶體管對隨之產生的電流進行放

大，并將其轉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顏色的光C

石墨烯作為光電傳感器材料的優勢就在于其透光性。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，對于諾基亞的團隊來說，這在光線不足的

條件下肯定比傳統的CMOS傳感器具備更好的性能。同時，石墨烯傳感器

比傳統傳感器薄許多，因此你的下一個4100萬像素的PureView手持設

備肯定不會是像諾基亞808那樣的大塊頭。此外，石墨烯傳感器比的

CMOS在生產工藝和流程方面更簡單，造價更便宜。

的石墨烯生產由于種種原因，還僅停留于實驗室階段，而用石墨烯制

造的傳感器，也表現出了照片響應差、噪音多等問題。因此諾基亞或許會

不斷提升和研發這種石墨烯光電傳感器的性能。

國內首片15英寸單層石墨烯問世

與現有手機觸摸屏材料相比，石墨烯優點更多，被認為是世界上最薄、

幾乎完全透光、強度也最大的材料。，中科院重慶研究院正在與廣東地區的

風投機構商談，力爭讓石墨烯在一年內實現量產。

你想用上屏幕可以來回彎曲折疊的手機嗎?采用石墨烯材料，就可能變

成現實。采用可折疊屏幕后，即使手機屏變得更大了,但攜帶起來還是很方

便。從中科院重慶綠色智能技術研究院（簡稱中科院重慶研究院）了解到，該

院已經成功制備出國內首片15英寸的單層石墨烯，這樣的大尺寸,達到了

國內最高水平。它或為手機、電腦等電子產品帶來一場革命。

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。

與現有手機觸摸屏材料相比，石墨烯優點更多，被認為是世界上最薄、

幾乎完全透光、強度也最大的材料。

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，粗略估計一下，一根頭發絲

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，還能保證很高的電導率，這對于過去那些觸摸屏材料來說，是難以同

時解決的。“過去認為鉆石熱導率最高，但是石墨烯是它的2倍。”

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，不會對屏幕造成損害。

“從這些優點來看,石墨烯特別適合在電子信息產業中應用。像IBM、

三星這些大企業，都相當關注它的發展。”史浩飛說。

成功制備7英寸的石墨烯觸摸屏

據悉，自2。。4年被發現以來，如何解決大面積、高質量石墨烯制備和

快速高效轉移兩大關鍵問題，讓石墨烯應用于透明電極中，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,再把它轉移到適合的基底上，才能進行應用。”史浩飛告訴記者，這就

相當于在一個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。

據介紹，通過“石墨烯透明電極關鍵技術”研究,他們采用工業原料如

塑料、液態苯等作為有效碳源，在300℃的低溫下生長出高質量的石墨烯。

，中科院重慶研究院已經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移到柔性PET襯底上和其他基底表面，并且通過進

一步應用，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驗室里，記者看到，研究人員把石墨烯觸摸屏

貼在一臺普通筆記本電腦的顯示屏上，調試完畢后，用手寫筆就能輕松地在

屏幕上寫字。

新型石墨烯晶體管實現高開關比率

英國曼徹斯特大學的科研人員設計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，同時從上方和下方穿越障礙，并在室溫下

展現出高達1x106的開關比率。

石墨烯晶體管獲得較高的開關比率一直難以實現，而有了高開關比，

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設備

時代占有一席之地，并有望達到更快的計算速度。相關研究發表在出版的

《自然-納米技術》雜志上。

石墨烯晶體管多具有三明治結構，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，科學家使用二硫化鴇（WS2）作為中間層，其能夠作為兩個

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

優勢在于，電子可借助熱感子運輸方式從上方越過障礙，也可利用隧穿效

應從下方穿過障礙。處于關閉狀態時，極少電子能借助上述方式穿越障礙,

但當調至開啟狀態時，電子既能選用一種方式逾越壁壘，亦能同時選擇兩

種方式以實現類似效果。

開關間切換會改變晶體管的柵電壓。負柵電壓會形成關閉狀態，因為

其會增加隧穿障礙高度，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換至開啟狀態。同時，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聯。但當處于高壓下時，隧穿電流會隨電壓呈現指

數增長，此時熱離子電流就會成為主要的傳輸機制。

利用上述特質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，由于僅具有幾個原子層的厚度，新型品體管能夠耐受

彎曲，未來更有望應用于柔性、透明電子設備的制造，成為后CMOS設備

時代的有力備選。

碳海綿：碳納米管和石墨烯共同支撐起無數個孔隙的三維多孔材料

2013年3月，浙江大學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錄，彈性和吸油能力令人驚

喜。這種被稱為“全碳氣凝膠”的固態材料密度為每立方厘米616毫克,

僅是空氣密度的1/6。它的價值在于其簡便的制備方法，以與材料所展現

出來的優越性能。不需要模板，只與容器有關。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%后仍可恢復原狀。它對有機溶劑

具有超快、超高的吸附力，是已報道的吸油力最高的材料。現有的吸油產

品一般只能吸自身質量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是25。

倍左右，最高可達90。倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機物的速

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任公司宣布研制成功出中國

首個純石墨烯粉末產品——柔性石墨烯散熱薄膜。此次發布的中國首個石

墨烯粉末應用產品“柔性石墨烯散熱薄膜”，由貴州新碳高科有限責任公

司研發和生產，由上海新池能源科技有限公司提供穩定的、量產規模的石

墨烯粉末。新碳高科建立了年產2萬平米生產線，已成功生產100。平方

米石墨烯柔性散熱薄膜產品。該產品采用了單片厚度1-5個原子層，橫向

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

備高濃度不團聚的石墨烯溶液，利用輻涂技術(Rollt。Roll)形成有良好

定向性的石墨烯微片層狀結構，然后在高溫特定氣氛下還原，使石墨烯微

片邊緣晶粒長大，最后擴展成為大面積連續二維結構的石墨烯柔性散熱薄

膜。產品熱擴散率達到700-900M2/S,熱導率在800-1600W/(mk)。

其散熱效果比常用的散熱材料銅(熱導率429W/(mk)要提高2-4倍，而

且具有良好的可加工性能。

南開大學研制成功石墨烯材料可用光驅動飛行

2015年6月，南開大學化學學院陳永勝教授和物理學院田建國教授領導

的科研團隊經過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的各種光源照射下驅動飛行，其獲得的驅動力是傳

統光壓的10。0倍以上，“光動”飛行或將成為可能。⑶

規模生產

編輯

全球首條石墨烯生產線慈溪開工，在慈溪市慈東濱海區，年產300噸

石墨烯項目正緊鑼密鼓籌建中。不久之后，這里會出現全球第一條石墨烯

生產線。

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、金路集團等

概念股均有不同程度漲幅。

“石墨烯是世界上已發現的最、最堅硬的納米材料，它不但可以用來

開發制造紙片一樣的超輕型飛機材料，還能做出超堅韌的防彈衣。”寧波

墨西科技有限公司總經理林立新興奮地說，據保守估計，這種材料僅替代

市場的潛力就有數十億甚至上百億元。

歷時三年成功研制石墨烯產業化項目

石墨烯2(X)8年10月，從美國紐約州立大學博士后畢業的劉兆平，應聘進入中科院寧

波材料所，領銜攻關制備石墨烯的新技術。他還給自己剛出生的女兒取名“劉墨希”。

這個項目吸引了眾多寧波民營企業的目光，他們有的已經嘗到新材料

產業的甜頭，有的希望借石墨烯項目拓展到新材料領域，有的想通過引進

石墨烯技術提升自身產品品質。

當時，劉兆平團隊的石墨烯項目尚停留在實驗階段，距離產業化還有

一段不短的路。正是這段看似坎坷的路，讓素以“穩健”和“精明”著稱

的寧波民企開始怯步。

“石墨烯項目市場前景確實很好，但是能不能等你們技術成熟后，再

轉讓給我們？”“首期付款就要幾千萬元，你們能不能降低價格，等項目

產生效益后再支付更多的費用？”……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轉移辦公室副主任俞建偉聽的最多的

話。

年7月，劉兆平團隊設計建成「年產3。噸的石墨烯中試生產

線。

“石墨烯制備成本很高，每克要5000元，是黃金價格的十幾倍。現

在，人們會制造成本降到了每克3元。”劉兆平說，這意味著石墨烯項目

可以走向產業化，成為大量供給的工業原料。兩個月后，在2011中國科

技創業計劃大賽上，“石墨烯產業化技術”項目獲得海外人才創業特別獎

一等獎。

引起國內外震動險些花落他鄉

寧波材料所的石墨烯產業化技術，在國內外引起了不小的震動。石墨烯項

目的市場價值，也由實驗階段的幾千萬元提升到上億元。

而與這個項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

而發愁，猶豫再三后，還是遲遲未能出手。此時，外來競爭者已經悄悄逼

近。很多外地企業或投資機構紛紛慕名前來，希望引進這個項目。

柔性集體

編輯

石墨烯具有高導電性和良好的柔韌性，是柔性儲能器件的理想候選材料

之一。金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室在前期制備出具有三維

連通網絡結構的石墨烯泡沫的基礎上（NatureMaterials10（6）,424,

2011）,利用該材料作為高導電的柔性集流體，設計并制備出可快速充

放電的柔性鋰離子電池。研究人員把三維連通的石墨烯網絡作為集流體,

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的比

例，且三維石墨烯網絡的高導電性和多孔結構為鋰離子和電子提供了快

速擴散通道，可實現電極材料的快速充放電性能。為了在不使用粘結劑和

導電添加劑的情況下實現活性物質和石墨烯集流體的良好接觸以促進電

子傳輸和提高彎折時電極材料的穩定性，研究人員發展了原位水熱合成

方法，在石墨烯三維連通網絡結構上直接生長活性物質，如磷酸鐵鋰和

鈦酸鋰。把磷酸鐵鋰/石墨烯和鈦酸鋰/石墨烯復合材料分別作為正負極,

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，其充放電特性保持不變，并可在6分鐘內完成充電

（達到初始容量的90%）,在100次循環之后容量保持率在96%0

該研究為高性能柔性鋰離子電池的設計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，具有潛在的實際應用價

值。該研究成果于10月8日在《美國科學院院刊》（PNAS）上在線發表

（PNAS,2012,）o此外，該研究團隊還充分利用石墨烯和碳納米管的優

異特性，發展出超級電容器和鋰-硫電池用柔性電極材料（ACSNano3

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

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

的開發奠定了良好基礎。上述工作得到了國家自然科學基金委、科技部

和中科院有關項目的資助。

潛在作用

編輯

1.石墨烯有抗菌物質：中科院上海分院某位科學家發現石墨烯氧化物

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用，像自動

除去氣味的鞋子，對有害菌導致的便秘進行快速消除，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。如果能夠與水分子分解發電技術結合，水、電就會

成為非常廉價的產品，人類就不會為缺水、停電煩惱。

3、石墨烯能夠作為太陽能電池：南加州大學維特比工程學院的實驗室

報告高度透明的石墨烯薄膜的化學氣相沉積法在2008年的大規模生產。

在這個過程中，研究人員創建超薄的石墨烯片，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，大小范圍在150平方厘米，和可以用來生產靈活的

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

的廉價太陽能電池，就像報紙印刷機的印刷報紙一樣。

4.石墨烯具備作為優秀的集成電路電子器件的理想性質。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，更難作出適當的基板。

根據2010年1月的一份報告中，對SiC外延生長石墨烯的數量和質

量適合大規模生產的集成電路。在高溫下，在這些樣品中的量子霍爾效應

可以被測量。另請參閱IBM在2010年的工作的晶體管一節中，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，他們已經成功地創造了第一個石墨烯為基礎

的集成電路-寬帶無線混頻器。電路處理頻率高達10GHz,其性能不受溫

度可高達127攝氏度的影響。

5.石墨烯可以用于超級電容器的導電電極，因石墨烯具有特高的表面

面積對質量比例。科學家認為這種超級電容器的儲存能量密度會大于現有

的電容器。

6、石墨烯生物器件。由于石墨烯的可修改化學功能、大接觸面積、

原子尺時厚度、分子閘極結構等等特色，應用于細菌偵測與診斷器件，石

墨烯是個很優良的選擇。

科學家希望能夠發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。基本而言，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率有不同的

影響，只要測量DNA分子通過時產生的微小電壓差異，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。

7、作為導熱材料或者熱界面材料。2011年，美國佐治亞理工學院

(GeorgiaInstituteofTechnology)學者首先報道了垂直排列官能化多層

石墨烯三維立體結構在熱界面材料中的應用與其超高等效熱導率和超低

界面熱阻。

8、單分子氣體偵測。石墨烯獨特的二維結構使它在傳感器領域具有光明

的應用前景。巨大的表面積使它對周圍的環境非常敏感