石墨烯的性质及其导电性能的应用

　　2004 年，英国曼彻斯特大学的物理学家 AndrewGeim和Konstantin Novoselov[1]成功的在实验室中从普通石墨中分离出了石墨烯，并因此获得了 2010年的诺贝尔物理学奖，随之在世界范围引起了研究石墨烯的热潮。石墨烯是一种碳原子以 sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的单层片状结构的新材料。石墨烯独特的结构赋予了石墨烯优良的性能。“石墨烯是世界上为数不多又同时具备透明、导电和柔性三大属性的材料。”曼彻斯特大学讲师亚拉文博士（AravindVijayaraghavan）说道“这三种属性很少能在同一个材料上出现。”另外石墨烯比表面积大、载流子迁移率高等优异的性能使石墨烯有更广的应用前景，同时也备受国内外研究人员的青睐。石墨烯可以变革电子行业，催生灵活多变的设备、超动力的量子计算机、电子服装及可与身体细胞交流的计算机。据《纽约时报》报道，石墨烯是一种神奇的材料，它具备颠覆当前所有电子设备的潜质，是“材料的未来和电子行业的救命稻草”。本文着重介绍石墨烯的性质和石墨烯导电性能及其复合材料在不同领域中的应用以及发展前景。

　　1 石墨烯的性质

　　力学性质 石墨烯是人类已知强度最高的的材料，比世界上强度最高的钢铁高 100 多倍。哥伦比亚大学的物理学家曾经做过这样的一个实验：将直径在 10～20 μm 间的石墨烯放在表面带有小孔（直径在 1～1.5 μm）的晶体薄板上，用金刚石探针对小孔上的石墨烯施加压力。结果发现：石墨烯微粒在开始断裂前，每 100 nm 距离上可承受 0.9μN 的力。这一结果相当于要施加 55N 的压力才能使1μm 的石墨烯断裂。

　　导电性质 石墨烯具有超高的电子迁移率，电子的运动速度达到了光速的三百分之一。另外，石墨烯也是世界上迄今为止电阻率最小的材料，其电阻约为 10 Ω·cm[2]。

　　光学性质 石墨烯只有单原子厚度，几乎是完全透明的，只吸收大约 2.3%的可见光，光透率高达97.7%。石墨烯层的光吸收与层数成比例，数层石墨烯样品中的每一层都可以看作二维电子气，受临近层的扰动极小，其在光学上等效为互不作用的单层石墨烯的叠加。单层石墨烯在 300～2 500 nm 间的吸收谱平坦，在紫外区有吸收峰，这是由于石墨烯态密度中的激子移动呈现范霍夫奇异性。在数层石墨烯中，低能区有与带间跃迁相关的其他吸收特性。

　　热学性质 石墨烯也是一种热稳定材料。石墨烯的热导率高达 5 300 瓦/（米·开），是铜的 13 倍。

　　研究发现：单层石墨烯的导热率与片层宽度、缺陷密度和边缘粗糙度密切相关；石墨烯片层沿平面方向导热具有各向异性的特点；在室温以上，石墨烯的热导率随着温度的增加而减小。

　　化学性质 目前已知的化学特性是石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学角度来看，石墨烯的性质类似石墨，因此可以根据石墨来推测石墨烯的化学性质。石墨烯的化学性质研究将在今后数年内成为一个研究热点。

　　2 石墨烯导电性能的应用

　　石墨烯优良的导电性能使其在微电子领域有广阔的应用前景，它被期望成为硅的替代品，适用于柔性电子产品中，例如柔性显示器。石墨烯还是一种透明、良好的导体，也可用于制造透明触摸屏幕、光板、太阳能等。另外，由于石墨烯的高传导性、高比表面积，可作为电极材料助剂。

　　2.1 石墨烯在电容器方面的应用

    电极材料是超级电容器的关键材料[3]。由于石墨烯具有高的电子迁移率和高比表面积，因此石墨烯是理想的电极材料。近年来，有关石墨烯作为电极材料的超级电容器也屡见报道[4]，然而石墨烯极超级电容器的电容性并不令人满意，存在在高相对速度下传递高能量对电容器本身有较大的损耗，循环使用次数少等缺点。为了提高超级电容器的电容性，研究人员对此作了大量的相关研究。

　　2013 年，美国加州大学洛杉矶分校的研究人员[5]发明了一种以石墨烯为基础的微型超级电容器，它是一种新型的储能装置，具有充电时间短、使用寿命长、节约能源和绿色环保等特点。这种电容器不仅外形小巧，而且充电、放电速度比标准电池快100 到 1 000 倍，事实证明，它可以在数秒内为手机甚至汽车充满电。这种超级电容器有望替代传统蓄电池推动电动汽车的发展以及解决风能、太阳能等间歇性能源的储存问题。

　　2.2 石墨烯透明导电薄膜的应用

　　石墨烯透明导电薄膜具有较高的透光率和优良的导电性能，因而使其有望引发触摸屏和显示器产品的革命，制造出可折叠、可伸缩的显示器件。Secor 等[6]采用喷墨打印的方法制备出石墨烯透明导电薄膜。研究人员首先将已制得的石墨烯/乙基纤维素粉末以质量比为2.4wt%分散在体积比为85:15的环己酮和松油醇的混合溶剂中，形成稳定的油墨。然后利用沉积喷墨打印机制备成薄膜。这种油墨的表面张力相对较低所得的导电薄膜可以用来制备具有适当湿度的低表面能物质，用于柔性电子产品中。

　　近年来，石墨烯在电子产品中的应用研究取得了巨大的成就。韩国 Graphene Square 公司已开发出了大面积石墨烯薄膜的制备装置。2012 年 1 月，常州二维碳素科技有限公司成功研制出全球首款手机石墨烯触摸屏，这项研究成果突破了石墨烯产品从实验室走向市场的瓶颈，在石墨烯材料产业化上具有重要的意义。2014 年 4 月 4 日，三星高级技术研究所和韩国成均馆大学共同宣布，他们在全球范围内首次合成了一种可保证导电性的石墨烯晶体，该成果可在保持材料电力和机械属性的同时，可将大面积石墨烯加工成半导体的单一晶体。不仅三星公司而且 IBM、诺基亚公司的研究人员也都在不断加强对石墨烯材料的研究，也许在不久的将来我们便能看到更轻、更便捷、更便宜的电子产品。

　　2.3 石墨烯基发光二极管

　　发光二极管是半导体材料中重要的器件之一，它广泛应用于照明、通讯等领域。韩国首尔国立大学的研究人员[7]，在多层石墨烯上以紧密排列的ZnO 纳米棒为过渡层生长高质量的石墨烯外延薄膜，制备了发光二极管，并进一步实现了将这些功能器件向玻璃、金属 、塑料等不同衬底的转移。这种器件既展示了石墨烯半导体的发光特性，同时利用了石墨烯的电学与机械特性，为后续电学与光电学器件的集成设计提供了灵活的思路[8]。

　　2.4 石墨烯电池应用

　　新能源电池是石墨烯最早商用的重要应用产品之一。美国麻省理工学院的一份报告指出，石墨烯被认为是第三代太阳能电池的最佳备选材料之一，将为数码相机、手机等小型随身电子设备提供连续使用的能量，未来具备太阳能电源的设备将更为小巧美观。

　　2014 年，意大利 ProTrade 公司的技术人员费瑞博士介绍，他们研发出的用于电动汽车的石墨烯电池，一次充电可以跑 600 km，并且这种电池的充电时间极短，只需要十几分钟。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用奠定了基础。

　　太阳能资源是近年来备受重视的新能源，许多领域都在逐步推广。日前记者从青岛科技大学获悉[9]，该校获批一项国际科技合作项目，与美国密苏里州立大学和美国了劳伦斯—伯克利国家实验室合作，联合开发石墨烯基太阳能电池，该项目国家提供科研经费 480 万元，负责人为青科大“泰山学者”

　　海外特聘专家董立峰教授。石墨烯太阳能电池的光电转化率是传统多晶硅的 2 倍，高达 60%。传统的太阳能路灯，灯泡上都有太阳能电池板。用上新材料，太阳能电池板可以被弯曲，也可以通过工艺改良直接做成灯泡的护罩，还可以设计成多种样式，增加了美观性。用这种新材料做成的太阳能电池板，可以铺在蔬菜大棚上，堆了一层“太阳能被子”，温室大棚又多了一项新的功能。石墨烯太阳能电池的应用将给我们带来绿色、环保、节能的新生活。

　　2.5 石墨烯银纳米薄膜

　　石墨烯薄膜具有高的导电性和柔韧性,其导电率为 1 079 S/cm，然而将金属银纳米附着于石墨烯上形成银纳米线/石墨烯导电薄膜，其电导率将提高到3189 S/cm。Chen 等[10]通过采用溶剂热法合成银纳米线，其直径为 150～200 nm，长度在十到几百微米之间。通过真空过滤的方法，使银纳米线/石墨烯悬浮在滤膜上，较小的石墨烯和银纳米线通过静电相互作用被吸附在纤维素纤维上，凝聚在滤膜的表面，随着过滤时间的增加纤维素表面和空隙过滤膜完全被石墨烯和银纳米线覆盖形成银纳米线/石墨烯/滤膜，“三明治”结构的薄膜。也即，银纳米线/石墨烯导电薄膜。复合膜由于其优良的机械稳定性和灵活性，可以塑造成所需的结构，并可大幅度的弯曲，可用于导电掺杂氟的氧化铟锡和绝缘对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。实验表明掺杂银纳米线/石墨烯的 PET 不仅具有优良的导电性而且还具有良好的柔韧性，它可以折叠弯曲 100 圈而不发生任何破坏。

　　2.6 高导电性石墨烯晶体管

　　石墨烯晶体管的导电性常被石墨烯极接触点的电阻所限制，如何提高石墨烯晶体管的导电性，是石墨烯复合材料改性方面又一重要的挑战。Leong等[11]通过氢腐蚀化使源极/漏极金属接触点的石墨烯部分被氢化腐蚀形成多个纳米尺度的小孔，而石墨烯通道则保持完整无缺，从而实现了石墨烯超低电阻金属接触点。渗透型石墨烯的源极/漏极和纯的锯齿形终端形成强的化学键而不需要进一步的沉积镍金属化退火。这样的制备方法优于电极金属化并且使接触点的在单层场效应晶体管中的电阻只有100 Ω·μm，而在双层石墨烯场效应晶体管中为 11Ω·μm。除此之外，接触点的电阻减少了 96%，源极/漏极石墨烯晶体管在电阻迁移率方面提高了 1.5倍。更重要的是，金属催化的蚀刻接触处理是互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容制造工艺，并拥有巨大潜力，以满足所需的石墨烯在未来集成电路的优良的集成接触性能。

　　3 结束语

　　石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，并迅速成长为材料界的新星。由于石墨烯良好的导电性、高热化学稳定性和理想的灵活性，石墨烯及其复合材料在高性能灵活的能量转换、储存、柔性电子产品以及其它设备上得到了更广泛的应用。我国在石墨烯的应用研究上也取得了瞩目的成就。我们不仅攻克了石墨烯制备成本高的难题，而且利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片 15 英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了 7 英寸石墨烯触摸屏。21 世纪是碳的时代，石墨烯的推广将引领第三次工业革命的发展，随着石墨烯产品在产业化应用中的推广，我们的生活将发生根本性的改变。现在也可以期待一下这一“21 世纪的神奇材料”将会带来怎样的惊喜。

　　参考文献：

　　［1］Novoselov KS, Geim AK, Morozov SV, et al. Electric field effect inatomically thin carbon films[J].Science, 2004, 306(5296): 666-669.

　　［2］张文毓，全识俊.石墨烯应用研究进展[J]，传感器世界 2011，(5)：06—11

　　［3］余泉茂，王仁清.石墨烯制备及其在超级电容器中的应用研究[J].材料导报, 2012, 26(15): 7-13.

　　［4］Zhang L L, Zhou R, Zhao X S. Graphene-based materials assupercapacitor electrodes[J]. Journal of Materials Chemistry, 2010,20(29): 5983-5992.

　　［5］付甜甜.美研制出微型石墨烯超级电容器[J]. 电源技术, 2013, 37(4):530-531.

　　［6］Secor E B, Prabhumirashi P L, Puntambekar K, et al. Inkjet printing ofhigh conductivity, flexible graphene patterns[J]. The Journal of PhysicalChemistry Letters, 2013, 4(8): 1347-1351.

　　［7］Chung K, Lee C H, Yi G C. Transferable GaN layers grown onZnO-coated graphene layers for optoelectronic devices[J]. Science,2010, 330(6004): 655-657.

　　［8］庞渊源. 石墨烯在半导体光电器件中的应用[J].液晶与显示, 2011,26(3): 296-300.

　　［9］刘颖婕，胡洪林.青科大联合美国研发石墨烯基太阳能.人民网—山东频道,2014,03,31.