物理性質(zhì)
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨層的層數(shù)少于10層時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出較普通三維石墨不同的電子結(jié)構(gòu)。我們將10層以下的石墨材料( Graphene 和Few-layer graphenes) 統(tǒng)稱為石墨烯材料(Graphenes) 。石墨烯(Graphenes) 分解可以變成零維的富勒烯， 卷曲可以形成一維的碳納米管， 疊加可以形成三維的石墨。石墨烯材料的理論比表面積高達(dá)2600m2/g， 具有突出的導(dǎo)熱性能( 3000W/(m.K)) 和力學(xué)性能(1060GPa)， 以及室溫下高速的電子遷移率(15000cm2/(V.s))。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)， 使其具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)， 引起了科學(xué)界巨大興趣， 石墨烯正掀起一股研究的熱潮。自2004年之后，關(guān)于石墨烯的研究報(bào)道如雨后春筍般涌現(xiàn)，在Science、Nature上相關(guān)報(bào)道就有400余篇，又一場(chǎng)碳化學(xué)的革命正在悄然興起。
氧化石墨還原途徑
石墨是一種憎水性物質(zhì)，與其相比，氧化石墨( 圖3) 擁有大量的羥基、羧基等基團(tuán)，是一種親水性物質(zhì)。其層間距(0.7~1. 2nm)也較石墨的層間距(0.335nm)大。石墨常用的氧化方法主要有3種: Standenmaier法、Brodie法、Hummers法。氧化石墨上C原子屬于sp3雜化，與石墨相比氧化石墨的導(dǎo)電性很差。但相對(duì)于石墨，由于氧化石墨層表面含有大量的官能團(tuán)，因此氧化石墨和改性氧化石墨與許多聚合物基體有較好的相容性。氧化石墨和改性氧化石墨在鋰離子電池負(fù)極材料和阻燃復(fù)合材料方面的應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)注。
與一些化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，得到改性石墨。而這種氧化石墨的有機(jī)改性也可使氧化石墨表面由親水性變?yōu)橛H油性、表面能降低，從而提高與聚合物單體或聚合物之間的相容性。因而增強(qiáng)了氧化石墨和聚合物間的粘接性。氧化石墨經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)某暡ㄕ鹗幪幚順O易在水溶液或者有機(jī)溶劑中分散成均勻的單層氧化石墨烯溶液，這為人們制備大量單層石墨烯提供了可能。
石墨烯的表征
單層石墨烯之所以至今才被人們發(fā)現(xiàn), 是因?yàn)楸碚魇侄蔚南拗?。目前表征石墨烯的有效手段主要? 原子力顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、Raman光譜。
原子力顯微鏡的應(yīng)用使得觀測(cè)到單層石墨烯成為可能。單層石墨烯由于其厚度只有0.335nm, 在掃描電子顯微鏡(SEM) 中很難被觀測(cè)到, 只有在原子力顯微鏡(AFM) 中才能清晰的觀測(cè)到。原子力顯微鏡是表征石墨烯材料的最直接有效的手段。
然而基于微機(jī)械剝離方法制得的石墨烯, 產(chǎn)量很低, 并且在微量的剝離物中摻雜著很多多層石墨片, 直接用原子力顯微鏡觀測(cè), 效率很低。Geim 等發(fā)現(xiàn)單層石墨烯附著在表面覆蓋著一定厚度(300nm) 的SiO2層Si晶片上, 在光學(xué)顯微鏡下便可以觀測(cè)到。這是由于單層石墨層和襯底對(duì)光線產(chǎn)生一定的干涉, 有一定的對(duì)比度, 因而在光學(xué)顯微鏡下可以分辨出單層石墨烯。
利用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)石墨烯, 為石墨烯的表征提供了一個(gè)快速簡(jiǎn)便的手段, 使得石墨烯得到進(jìn)一步精確表征成為可能。
市場(chǎng)前景展望
隨著人們對(duì)石墨烯研究的不斷深入以及制備方法的改進(jìn)，石墨烯在復(fù)合材料、納米器件和儲(chǔ)氫材料等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。石墨烯的導(dǎo)電性好，有望代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī); 它的質(zhì)量輕、強(qiáng)度高, 不僅可用來(lái)開(kāi)發(fā)出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的防彈衣, 甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的213萬(wàn)英里長(zhǎng)的太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。然而，要想使石墨烯材料產(chǎn)品化，真正為人們所用, 必須能夠得到大量結(jié)構(gòu)完整的高質(zhì)量石墨烯。這就要求提高現(xiàn)有制備工藝的水平。微機(jī)械法顯然不能滿足未來(lái)工業(yè)化的要求。氧化石墨還原法雖然能夠以相對(duì)較低的成本制備出大量的石墨烯，使得其在復(fù)合材料和防靜電涂料等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景，然而石墨烯的電子結(jié)構(gòu)以及晶體的完整性均受到強(qiáng)氧化劑嚴(yán)重的破壞，將使其電子性質(zhì)受到影響，一定程度上限制了其在精密的微電子領(lǐng)域的應(yīng)用?；瘜W(xué)生長(zhǎng)法可以制備出大面積連續(xù)且性能優(yōu)異的石墨烯薄膜半導(dǎo)體材料，而且現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工技術(shù)也可以對(duì)石墨烯薄膜材料進(jìn)行剪裁修飾，使得化學(xué)生長(zhǎng)法制備出的石墨烯材料在微電子領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。然而化學(xué)沉積法制備石墨烯的途徑還在進(jìn)一步探索、完善中，現(xiàn)階段工藝的不成熟以及較高的成本都限制了其大規(guī)模應(yīng)用。如何大量、低成本制備出高質(zhì)量的石墨烯材料應(yīng)該是未來(lái)研究的一個(gè)重點(diǎn)。雖然科學(xué)家已經(jīng)在此方面做了很多努力，但仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)其工業(yè)生產(chǎn)，因而，關(guān)于石墨烯的合成方法研究仍是一個(gè)研究熱點(diǎn)。此外, 科學(xué)家們將更多關(guān)注如何通過(guò)化學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行修飾，進(jìn)一步提高其各方面性能，促進(jìn)器件化、工業(yè)化、商品化的進(jìn)程。
