石墨烯材料的研究进展论文

石墨烯材料的研究进展

摘要：石墨烯是近年被发现和合成的一种新型二维碳质纳米材料。由于其独特的结构

和新奇的物化性能，在改善复合材料的热性能、力学性能和电性能等方面具有很大的潜力，已成为纳米复合材料研究的热点。综述了石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究进展，并对石墨烯纳米复合材料的发展前景进行了展望。

关键词：石墨烯；纳米复合材料；制备；应用

1，材料的基本情况

石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，是构成其它碳同素异形体的基本单元。石墨烯的理论研究已有６０多年的历史，一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。２００４年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带反复剥离高定向热解石墨的方法，得到了稳定存在的石墨烯。石墨烯的出现颠覆了传统理论，使碳的晶体结构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。

石墨烯的结构非常稳定。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。石墨烯是构成石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯碳同素异形体的基本单元。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。

石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高于碳纳米管和金刚石，石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂，石墨烯是世界上导电性最好的材料。

常温下其电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。

2，最热的应用合成

石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域．

根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。最小最快石墨烯晶体管。2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。

石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由

于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂纳电子器件方面。室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率，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，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，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。

利用石墨烯加入电池电极材料中可以大大提高充电效率，并且提高电池容量。低成本石墨烯电池或将实现“一分钟充电”。

科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。

石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。石墨烯作为光电传感器材料的优势就在于其透光性，可以作为制备新型触摸屏的核心部分――透明电极的材料。你想用上屏幕可以来回弯曲折叠的手机也可能变成现实。1月22日,记者从中科院重庆绿色智能技术研究院了解到,该院已经成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯,这样的大尺寸,达到了国内最高水平。它或将为我们的手机、电脑等电子产品带来一场革命。

量子隧穿效应是一种衰减波耦合效应，其量子行为遵守薛定谔波动方程，应用于电子冷发射、量子计算、半导体物理学、超导体物理学等领域。传统势垒材料采用氧化铝、氧化镁等材料，由于其厚度不均、容易出现孔隙和电荷陷阱，通常具有较高的能耗和发热量，影响到了器件的性能和稳定性，甚至引起灾难性失败。基于石墨烯在导电、导热和结构方面的优势，美国海军研究试验室（NRL）将其作为量子隧穿势垒材料的首选。

石墨烯还应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。碳海绵：碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙的三维多孔材料。

今年3月，浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶――它刷新了目前世界上最轻材料的纪录，弹性和吸油能力令人惊喜。

今年5月25日，记者从中科院上海应用物理研究所获悉，我国科学家在对石墨烯这种新兴纳米材料的生物效应，特别是呼吸毒性的研究中获得新进展，相关成果近日在《自然—亚洲材料》上发表。专家表示，由于碳源性纳米粒子是环境颗粒物（如PM 2.5）中主要组分之一，当辐射物质进入大气中时（如福岛事件），就有可能通过大气传播到很远的地方，并进入人体而造成比单纯的污染物更加剧烈的危害。由于这种潜在危害以局部“热点”形式存在，往往难以通过常规的评价放射剂量测试来进行正确评价，因而其负面效应值得引起关注和持续研究

3，材料的应用瓶颈

目前，作为导电性、机械性能都很优异的材料，素来有“黑金子”之称的石墨烯目前在中国市场上的价格近十倍于黄金，超过2000元/克。据此前相关报道称，石墨烯的相关产品目前在国外还处于研发和概念机阶段，尚未有大规模制造及商业化。

要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍：缺乏适用于传统化学方法的样品。这一点未得到解决，研究石墨烯化学将面临重重困难。

如何综合运用各种石墨烯制备方法的优势，取长补短，解决石墨烯的难溶解性和不稳定性的问题，完善结构和电性能等是今后研究的热点和难点，也为今后石墨烯的制备与合成开辟新的道路。

石墨烯纳米复合材料的合成及其相关应用的研究已经取得了很大的进展，但要真正实现石墨烯纳米复合材料大规模的合成和产业化应用，还面临着大量问题和挑战。

4，材料的未来展望

未来得石墨烯势垒将有可能在隧穿晶体管、非挥发性磁性记忆体和可编程逻辑电路中率先得以应用。有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。目前的石墨烯生产由于种种原因，还仅停留于实验室阶段，而用石墨烯制造的传感器，目前也表现出了照片响应差、噪音多等问题。

今后石墨烯纳米复合材料的研究重点应该放在以下几个方面：

（１）不断改进复合材料的合成方法，丰富石墨烯纳米复合材料的种类，拓展复合材料的应用范围，使与石墨烯复合的纳米粒子向着多元化、系列化、均匀化、功能化的方向发展。

（２）对石墨烯进行可控功能化以提高其在聚合物中的分散性，充分发挥其在聚合物中的改性效果。

（３）对复合材料中石墨烯与纳米粒子之间相互作用的机理进行探讨，并使之系统化、理论化，以减少研究工作的盲目性。

（４）进一步探索复合材料中纳米粒子与石墨烯之间的协同效应可能产生的新性能和用途。相信随着研究的不断深入，必将研制出性能更加优越的新型石墨烯纳米复合材料，更好地发挥其在众多领域的独特作用，并尽快实现工业化大规模的生产与应用