石墨烯是由碳原子構(gòu)成的六方晶格。

石墨烯是二維原子尺度、六角型的碳同素異形體，其中每個(gè)頂點(diǎn)有一個(gè)原子。它是其他同素異形體（包括石墨、木炭、碳納米管和富勒烯）的基本結(jié)構(gòu)單元。它也可以被認(rèn)為是一個(gè)無限期的大芳香分子，平面多環(huán)芳烴家族的最終案例。

石墨烯有許多特性。與其厚度成比例，它比最堅(jiān)固的鋼大約強(qiáng)100倍。它可以非常有效地傳導(dǎo)熱和電，并且?guī)缀跏峭该鞯?。[1] 石墨烯還顯示了一個(gè)大的非線性抗磁性，[2] 甚至比石墨還大，可以被釹鐵硼磁體懸浮。研究人員已經(jīng)確定了材料中的雙極晶體管效應(yīng)、電荷的彈道傳輸和大量子振蕩。[3]

幾十年來，科學(xué)家們一直在對石墨烯進(jìn)行理論研究。幾個(gè)世紀(jì)以來，通過使用鉛筆和石墨的其他類似應(yīng)用，它很可能在不知不覺中被少量生成。石墨烯最初于1962年在電子顯微鏡中觀察到，但只有負(fù)載在金屬表面時(shí)才被研究。 這些材料后來在2004年被曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）重新發(fā)現(xiàn)、分離和表征。[4] 對其組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的現(xiàn)有理論描述為研究提供了信息。[5] 事實(shí)證明，高質(zhì)量的石墨出乎意料地容易分離，使得更多的研究成為可能。這項(xiàng)工作使得兩人因“關(guān)于二維材料石墨烯的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[6]

據(jù)報(bào)道，截止到2012年，石墨烯的全球市場已達(dá)到900萬美元，大部分需求來自半導(dǎo)體、電子、電池能源和復(fù)合材料的研發(fā)。[7]

中文名

石墨烯

英文名

Graphene

首次制備

安德烈-海姆和康斯坦丁-諾沃肖洛夫

應(yīng)用領(lǐng)域

物理、材料、電子信息、計(jì)算機(jī)等

導(dǎo)熱系數(shù)

5300W/mK（單層）

載流子遷移率

15000cm2/（V·s）（室溫）

定義

“石墨烯”是“石墨”和后綴-ene的組合，由漢斯-彼得·鮑姆（Hanns-Peter Boehm）命名，[8] 他在1962年描述了單層碳箔。[9]

術(shù)語 石墨烯 首次出現(xiàn)于1987年[9]，將單片石墨描述為石墨層間化合物（graphite intercalation compounds，GICs）的組成部分；從概念上講，GIC是嵌入劑和石墨烯的結(jié)晶鹽。該術(shù)語也用于碳納米管的早期描述，[10] 也用于外延石墨烯[11] 和多環(huán)芳烴。[12] 石墨烯可以被認(rèn)為是一種“無限交替”(只有六元碳環(huán))的多環(huán)芳烴。[13]

IUPAC技術(shù)綱要指出:“以前，石墨層、碳層或碳片等術(shù)語被用于描述石墨烯一詞...在單層中使用包含石墨的術(shù)語是不正確的，石墨意味著三維結(jié)構(gòu)。只有在討論各層的反應(yīng)、結(jié)構(gòu)關(guān)系或其他性質(zhì)時(shí)，才應(yīng)該使用石墨烯一詞?！盵14]

Geim將“孤立或無支撐的石墨烯”定義為“石墨烯是石墨的單個(gè)原子平面，只有與其環(huán)境充分隔絕（這一點(diǎn)至關(guān)重要）才可視為無支撐。" 這個(gè)定義比IUPAC的定義更窄，指的是分裂、轉(zhuǎn)移和懸浮的石墨烯。 其他形式的石墨烯（例如生長在各種金屬上的石墨烯）也可以成為無支撐的，例如處于懸浮狀態(tài)或轉(zhuǎn)移到二氧化硅(SiO2)或碳化硅。[15]

歷史

一塊石墨、一個(gè)石墨烯晶體管和一個(gè)磁帶分配器。2010年，安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃塞洛夫(Konstantin Novoselov)向斯德哥爾摩的諾貝爾博物館捐贈(zèng)。

2010年，安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）

1859年，本杰明·柯林斯·布羅迪（Benjamin Collins Brodie）發(fā)現(xiàn)了熱還原氧化石墨的高度層狀結(jié)構(gòu)。[16][17]

石墨的結(jié)構(gòu)于1916年得到解決[18]，通過粉末衍射的相關(guān)方法。[19] 1918年，科爾施特爾（V. Kohlschütter）和海恩尼（P. Haenni）對其進(jìn)行了詳細(xì)研究，他們還描述了氧化石墨紙的性能。[20] 1924年，通過單晶衍射確定其結(jié)構(gòu)。[21]

華萊士（P. R. Wallace）于1947年首次探索了石墨烯理論，并以此作為理解三維石墨電子性質(zhì)的起點(diǎn)。出現(xiàn)的無質(zhì)量狄拉克方程最早是由戈登·瓦爾特·塞門諾夫（Gordon Walter Semenoff）、戴維·迪文森佐（David P. DiVincenzo）和尤金·j·梅萊(Eugene J. Mele)提出的。[22] 塞門諾夫強(qiáng)調(diào)電場中的朗道能級(jí)恰好出現(xiàn)在狄拉克點(diǎn)。這個(gè)級(jí)別是異常整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的原因。

最早的幾層石墨的透射電鏡圖像是由G. Ruess和F. Vogt在1948年發(fā)表的。[23] 后來，單個(gè)石墨烯層也通過電子顯微鏡直接觀察到。 在2004年以前，研究人員在透射電子顯微鏡下對插層石墨化合物進(jìn)行了研究。研究人員偶爾觀察到薄石墨薄片(“幾層石墨烯”)，甚至可能是單個(gè)層。早在1962年就有一項(xiàng)關(guān)于少層石墨的詳細(xì)研究。[24][25]

從20世紀(jì)70年代開始，可以在其他材料上外延生長單層石墨烯。[26] 這種“外延石墨烯”由單原子厚度的sp六方晶格組成2鍵合的碳原子，如無支撐的石墨烯。然而，由于從襯底到外延石墨烯有顯著的電荷轉(zhuǎn)移，在某些情況下，襯底原子的d軌道和石墨烯的π軌道之間的雜化，這顯著改變了外延石墨烯的電子結(jié)構(gòu)。

研究人員還通過透射電子顯微鏡觀察到塊狀材料中的單層石墨，特別是通過化學(xué)剝離獲得的煙灰中的單層石墨。通過機(jī)械剝離制造石墨薄膜的努力始于1990年，[27] 但是在2004年之前，生成出的石墨薄膜要厚于50到100層。

最初，嘗試采用類似于拉伸方法的剝離技術(shù)制造原子級(jí)石墨薄膜?？色@得低至10nm厚度的多層樣品。 舊文獻(xiàn)顯示，[24] 研究人員試圖從嵌入化合物分離石墨烯。這些論文報(bào)道了通過透射電子顯微鏡觀察非常薄的石墨碎片(可能是單層)。早期的觀察都不足以“點(diǎn)燃石墨烯淘金熱”，這是在等待提取原子平面的宏觀樣本。

與石墨烯生產(chǎn)相關(guān)的首批專利之一于2002年10月提交，并于2006年獲得批準(zhǔn)(美國專利7071258)。[28] 該專利名為“納米級(jí)的石墨烯板”，詳細(xì)描述了第一個(gè)大規(guī)模石墨烯生產(chǎn)過程。兩年后，在2004年，曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆（Andre Geim）和科斯蒂亞·諾沃塞洛夫（Kostya Novoselov）從大塊石墨中提取出單原子厚的微晶。[29] 他們從石墨中拉出石墨烯層，并將它們轉(zhuǎn)移到薄的 SiO2，在硅晶片上進(jìn)行微機(jī)械切割或透明膠帶法。[29] SiO2 電隔離石墨烯并與之弱相互作用，可提供幾乎不帶電荷的石墨烯層。SiO2 下面的硅可以用作“背柵”電極，以在寬范圍內(nèi)改變石墨烯中的電荷密度。他們可能不是第一個(gè)使用這種技術(shù)的人—— 申請于2002年的專利US 6667100，描述了如何加工市售柔性膨脹石墨以獲得0.00001英寸厚度(十萬分之一英寸)的石墨。成功的關(guān)鍵是在正確選擇的襯底上對石墨烯進(jìn)行高通量視覺識(shí)別，這提供了小而明顯的光學(xué)對比度。

分裂技術(shù)直接導(dǎo)致了對石墨烯中異常量子霍爾效應(yīng)的首次觀察， 這為石墨烯理論預(yù)測的無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子的貝里相位提供了直接證據(jù)。蓋姆的小組和張菲利普·金（Philip Kim）和張遠(yuǎn)波（Yuanbo Zhang）報(bào)告了這種效應(yīng)，2005年他們的論文 出版在同一期的Nature。在這些實(shí)驗(yàn)之前，其他研究人員在塊狀石墨中尋找量子霍爾效應(yīng)[30] 和狄拉克費(fèi)米子[31] 。

盡管鎳和碳化硅上的石墨烯已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中存在了幾十年，但是SiO2剝離的石墨烯首次證明了電子的狄拉克費(fèi)米子性質(zhì)。

因在石墨烯方面的開創(chuàng)性研究，Geim和Novoselov獲得了幾個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，特別是2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。[32]

最近，已經(jīng)開發(fā)了幾種制備納米結(jié)構(gòu)石墨烯（例如石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)）的重要技術(shù)。這些技術(shù)主要包括電子束光刻、化學(xué)合成、電化學(xué)制備、氧化石墨烯還原、C60催化轉(zhuǎn)化、微波輔助水熱法， 軟模板方法， 水熱法， 和超聲波剝離方法。

2014年，一個(gè)6000萬石墨烯工程創(chuàng)新中心(GEIC)-國家石墨烯研究所，宣布與其他研究組織和工業(yè)合作支持應(yīng)用研究和開發(fā)。[33]

在東北英格蘭兩家商業(yè)制造商，應(yīng)用石墨烯材料[34] 和Thomas Swan有限公司[35] (和三一學(xué)院(都柏林)研究人員一起)，[36] 已經(jīng)開始制造石墨烯。在另一家制造商?hào)|英吉利亞， FGV Cambridge Nanosystems,[37][38][39] 正在運(yùn)營一個(gè)大規(guī)模的石墨烯粉末生產(chǎn)設(shè)施。

2016年，布朗大學(xué)引入了一種“起皺”石墨烯的方法，在納米尺度上增加了材料的褶皺。這是通過將氧化石墨烯層沉積到一個(gè)熱收縮薄膜薄膜上，然后收縮來實(shí)現(xiàn)的，薄膜溶解后再收縮到另一張薄膜上。起皺的石墨烯變得超疏水，當(dāng)用作電池電極時(shí)，該材料的電化學(xué)電流密度增加了400%。[40][41]

性能

石墨烯的理論比表面積為 2630 m2/g。這比迄今報(bào)道的炭黑要大得多(通常小于 900 m2/g )或碳納米管(CNTs)，從≈100到1000 m2/g，與活性炭類似。[42]

結(jié)構(gòu)

石墨烯的掃描探針顯微鏡圖片

石墨烯是碳的結(jié)晶同素異形體，具有二維性質(zhì)。它的碳原子密集排列成規(guī)則的原子尺度鐵絲網(wǎng)(六邊形)。[43]

每個(gè)原子有四個(gè)鍵，一個(gè)σ鍵與它的三個(gè)相鄰原子各有一個(gè)，一個(gè)π鍵位于平面之外。原子之間的距離約為1.42? 。[43]

石墨烯的六方晶格可以看作是兩個(gè)交錯(cuò)的三角形晶格。這一觀點(diǎn)被成功地用于計(jì)算單個(gè)石墨層的能帶結(jié)構(gòu)。[43]

石墨烯的穩(wěn)定性是由于其緊密堆積的碳原子和sp2 軌道雜化——s軌道、px 和py 構(gòu)成σ鍵。最后一個(gè)pz 電子構(gòu)成π鍵。π鍵雜交在一起形成π帶和π?帶。這些帶是石墨烯的大部分顯著電子特性的原因，因?yàn)槠湓试S自由移動(dòng)電子的半填充帶。[43]

固體形式的石墨烯片通常顯示石墨(002)方向堆積的衍射證據(jù)。一些單壁納米結(jié)構(gòu)也是如此。[44] 然而，在太陽前石墨洋蔥的核心發(fā)現(xiàn)了只有(hk0)環(huán)的未剝離石墨烯。[45] 透射電鏡研究顯示，在平坦的石墨烯片上存在缺陷[46] 并提出了熔體二維結(jié)晶的作用。

當(dāng)石墨烯暴露于含碳分子(如碳?xì)浠衔?中時(shí)，它可以自我修復(fù)薄片上的孔洞。受到純碳原子的轟擊，原子完美地排列成六邊形，完全填滿了孔。[47][48]

通過透射電子顯微鏡(TEM)研究了單層石墨烯的原子結(jié)構(gòu)。[49] 電子衍射圖顯示了預(yù)期的蜂窩晶格。懸浮的石墨烯也顯示出平板的“波紋”，振幅約為1納米。由于二維晶體的不穩(wěn)定性，這些波紋可能是材料固有的，[49][49][50] 或者可能來源于在所有石墨烯的TEM圖像中看到的無處不在的污垢。通過掃描隧道顯微鏡可以獲得孤立單層石墨烯的原子分辨率真實(shí)空間圖像 SiO2 襯底[51] 。光致抗蝕劑殘留物（必須去除以獲得原子分辨率圖像），可能是在透射電子顯微鏡圖像中觀察到的“吸附物”，并且可以解釋觀察到的褶皺。 SiO2 上的褶皺是由石墨烯與底層的 SiO2的構(gòu)象引起的，并且不是固有的。[51]

化學(xué)性質(zhì)

石墨烯是碳(或固體材料)的唯一形式，其中由于其2D結(jié)構(gòu)，每個(gè)原子都可以從兩側(cè)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。石墨烯片邊緣的原子具有特殊的化學(xué)反應(yīng)性。石墨烯的邊緣原子比例是所有同素異形體原子中最高的。層缺陷會(huì)增加其化學(xué)反應(yīng)性。[52] 單層石墨烯平面與氧氣反應(yīng)的起始溫度低于260 °C (530 K)。[53] 石墨烯在非常低的溫度下燃燒(例如，350 °C (620 K))中。[54] 石墨烯通常修飾有含氧和含氮官能團(tuán)，可以通過紅外光譜和X射線光電子光譜進(jìn)行分析。然而，用測定石墨烯的結(jié)構(gòu)的氧官能團(tuán)[55] 和氮官能團(tuán)[56] 要求結(jié)構(gòu)控制的很好。

2013年，斯坦福大學(xué)物理學(xué)家報(bào)告稱，單層石墨烯的化學(xué)反應(yīng)性是更厚的薄片的100倍。[57]

電子性質(zhì)

Z形方向的GNR帶結(jié)構(gòu)。緊束縛計(jì)算表明，z形取向始終是金屬的。

扶手方向的GNR帶結(jié)構(gòu)。緊密結(jié)合計(jì)算表明扶手的方向可以是半導(dǎo)體的，也可以是金屬的，取決于寬度(手性)。

石墨烯是一種零隙半導(dǎo)體，因?yàn)樗膶?dǎo)帶和價(jià)帶在狄拉克點(diǎn)相遇。狄拉克點(diǎn)是動(dòng)量空間中位于布里淵區(qū)邊緣的六個(gè)位置，分為兩個(gè)由三個(gè)點(diǎn)組成的不等價(jià)集合。這兩組標(biāo)記為K和K’。這些集合賦予石墨烯一個(gè)山谷退化 gv = 2。相比之下，傳統(tǒng)半導(dǎo)體的主要關(guān)注點(diǎn)通常是γ，動(dòng)量為零。[43] 四種電子性質(zhì)將它與其他凝聚態(tài)系統(tǒng)分開。

然而，如果面內(nèi)方向不再是無限的，而是有限的，它的電子結(jié)構(gòu)就會(huì)改變。它們被稱為石墨烯納米帶。如果是“之字形”，帶隙仍然為零。如果它是“扶手椅”，帶隙將是非零的(見圖)。

電子光譜

通過石墨烯蜂窩晶格傳播的電子有效地失去了質(zhì)量，產(chǎn)生了準(zhǔn)粒子，這些準(zhǔn)粒子被描述為狄拉克方程的2D類似物，而不是自旋的薛定諤方程1?2 粒子。[58]

色散關(guān)系

當(dāng)原子被放置在石墨烯六方晶格片上時(shí) pz(π)軌道和 s 或者 px 和 py 由于對稱性，軌道為零。這 pz 因此，在石墨烯中形成π帶的電子可以被獨(dú)立地處理。在這種π帶近似下，使用傳統(tǒng)的緊束縛模型，色散關(guān)系(僅限于第一最近鄰相互作用)產(chǎn)生具有波矢的電子能量 k 存在[59][60]

?

具有最近鄰(π軌道)跳躍能量γ0 ≈ 2.8 eV 和晶格常數(shù)a ≈ 2.46 ?。導(dǎo)帶和價(jià)帶分別對應(yīng)不同的符號(hào)。有一個(gè) pz 在這個(gè)模型中，每個(gè)原子的電子價(jià)帶被完全占據(jù)，而導(dǎo)帶是空的。兩個(gè)帶在區(qū)域拐角處接觸 K 點(diǎn)在布里淵區(qū))，在那里有零密度的狀態(tài)，但沒有帶隙。因此，石墨烯片表現(xiàn)出半金屬(或零間隙半導(dǎo)體)的特性，盡管由于其曲率，石墨烯片不能卷成碳納米管。六個(gè)狄拉克點(diǎn)中的兩個(gè)是獨(dú)立的，而其余的對稱等價(jià)。在附近 K-能量所依賴的點(diǎn) 線性地 在波矢上，類似于相對論性粒子。[59][61] 由于晶格的基本單元有兩個(gè)原子的基礎(chǔ)，波函數(shù)具有有效的2-旋量結(jié)構(gòu)。

因此，在低能量下，即使忽略真實(shí)的自旋，電子也可以用形式上等價(jià)于無質(zhì)量狄拉克方程的方程來描述。因此，電子和空穴被稱為狄拉克費(fèi)米子。[59] 這種偽相對論描述僅限于手征極限，即消失的靜止質(zhì)量 M0，這帶來了有趣的附加功能:[59][62]

?

這里 vF ~ 106 m/s (. 003°c)是石墨烯中的費(fèi)米速度，它取代了狄拉克理論中的光速；? ? 是泡利矩陣的矢量，? ? 是電子的雙組分波函數(shù)，并且 E 是他們的能量。

描述電子線性色散關(guān)系的方程為

?

其中波矢 k 從狄拉克點(diǎn)測量(這里選擇的能量零點(diǎn)與狄拉克點(diǎn)重合)。該方程使用了描述蜂窩晶格的兩個(gè)子晶格的偽pin矩陣公式。[61]

單原子波傳播

石墨烯中的電子波在單原子層中傳播，使得它們對其他材料的鄰近性敏感，例如高κ電介質(zhì)、超導(dǎo)體和鐵磁性。

電子傳輸

石墨烯在室溫下顯示出顯著的電子遷移率，報(bào)道值超過15000 cm2?V?1?s?1。[49] 空穴和電子遷移率預(yù)計(jì)幾乎相同。[58] 10 K到100 K之間的遷移率幾乎與溫度無關(guān)。[63][63][64] 這意味著主要的散射機(jī)制是缺陷散射。石墨烯聲學(xué)聲子的散射本質(zhì)上限制了室溫遷移率 200000 cm2?V?1?s?1，載流子密度為 1012 cm?2,[64][65] ，比銅大10×106倍。

石墨烯片的相應(yīng)電阻率為 10?6 Ω?cm，小于銀的電阻率，這是室溫下已知的最低值。[66] 然而，在 SiO2 襯底，襯底的光學(xué)聲子對電子的散射比石墨烯自身聲子的散射更大。這將移動(dòng)性限制為40000 cm2?V?1?s?1。[64]

電荷傳輸?shù)闹饕_來自水和氧分子等污染物的吸附。這導(dǎo)致非重復(fù)性和大滯后伏安特性。研究人員必須在真空中進(jìn)行電學(xué)測量，研究人員已經(jīng)討論過用SiN、PMMA、h-BN等材料涂層保護(hù)石墨烯表面。據(jù)報(bào)道，2015年1月，石墨烯表面被氧化鋁保護(hù)，這是石墨烯器件在空氣中幾周內(nèi)首次穩(wěn)定運(yùn)行。[67][68] 2015年，鋰涂層石墨烯表現(xiàn)出超導(dǎo)性，這是石墨烯的第一次相關(guān)報(bào)道。[69]

外延石墨烯的40 nm寬納米帶中的電阻以離散的步驟變化。納米帶的電導(dǎo)超出預(yù)測10倍。這些納米帶可以更像光波導(dǎo)管或量子點(diǎn)，允許電子沿著帶的邊緣平滑流動(dòng)。在銅中，電阻隨著電子遇到雜質(zhì)而與長度成比例增加。[70][71]

傳輸由兩種方式主導(dǎo)。一個(gè)是彈道和溫度無關(guān)的，而另一個(gè)是熱激活的。彈道電子類似于圓柱形碳納米管中的電子。在室溫下，電阻在特定長度突然增加——彈道模式在16微米，另一個(gè)在160納米(前者長度的1%)。[70]

即使在室溫下，石墨烯電子也能覆蓋微米距離而不會(huì)散射。

盡管狄拉克點(diǎn)附近載流子密度為零，石墨烯的最小電導(dǎo)率約為? 。這種最小電導(dǎo)率的來源仍不清楚。然而，石墨烯片的褶皺或 SiO2襯底的離子雜質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致允許傳導(dǎo)載流子的局部旋渦。[58] 幾個(gè)理論認(rèn)為最小電導(dǎo)率應(yīng)該是? ；然而，大多數(shù)測量都是有序的? ? 或更大[49] ，并取決于雜質(zhì)濃度。[72]

接近零載流子密度的石墨烯在高載流子密度下表現(xiàn)出正光電導(dǎo)和負(fù)光電導(dǎo)。這是由德魯?shù)轮亓亢洼d流子的散射速率的光致變化之間的相互作用決定的。[73]

通過在真空中溫和加熱，摻雜有各種氣態(tài)物質(zhì)(受體和供體)的石墨烯可以返回到未摻雜狀態(tài)。[72][74] 即使摻雜劑濃度超過1012 厘米?2 載流子遷移率沒有明顯變化。[74] 低溫超高真空下?lián)解浭┑倪w移率可降低20倍。[72][75] 當(dāng)加熱石墨烯以去除鉀時(shí)，遷移率的降低是可逆的。

由于石墨烯是二維的，電荷分裂(在低維系統(tǒng)中單個(gè)贗粒子的表觀電荷小于一個(gè)量子[76])被認(rèn)為發(fā)生了。因此，它可能是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的合適材料[77] 使用任意子電路。[78]

反常量子霍爾效應(yīng)

量子霍爾效應(yīng)是霍爾效應(yīng)的量子力學(xué)版本，霍爾效應(yīng)是在磁場存在下產(chǎn)生的橫向(垂直于主電流)電導(dǎo)率?；魻栃?yīng)的量化? ? 在基本量的整數(shù)倍(朗道水平)? ? (其中，e 是基本電荷， h 是普朗克常數(shù)）。在3K溫度附近和非常高的磁場中，它通常只能在非常干凈的硅或砷化鎵固體中觀察到。

石墨烯展示了電導(dǎo)率量子化的量子霍爾效應(yīng)效應(yīng) 不規(guī)則的 因?yàn)椴襟E的順序相對于標(biāo)準(zhǔn)順序移動(dòng)了1/2，并且附加了因子4。石墨烯的霍爾電導(dǎo)率為? ，其中，N是 朗道能級(jí)，雙谷和雙自旋簡并給出因子4。[49] 這些異常出現(xiàn)在室溫下，即大約在20 °C (293 K)。[63]

這種行為是石墨烯無質(zhì)量狄拉克電子的直接結(jié)果。在磁場中，它們的光譜具有朗道能級(jí)，能量正好在狄拉克點(diǎn)。這一水平是阿蒂亞－辛格指標(biāo)定理效應(yīng)（Atiyah–Singer index theorem）的結(jié)果，并且被中性石墨烯半填充，[59] 導(dǎo)致霍爾傳導(dǎo)中的“+1/2”。[79] 雙層石墨烯也顯示了量子霍爾效應(yīng)，但只有兩個(gè)異常之一(即? )中。在第二個(gè)異常中，第一個(gè)高原在 N=0 不存在，表明雙層石墨烯在中性點(diǎn)保持金屬。[49]

與普通金屬不同，石墨烯的縱向電阻在測量舒勃尼科夫-德哈斯振蕩（Shubnikov–de Haas oscillations）時(shí)顯示朗道充裝系數(shù)積分值的最大值而不是最小值積分。這些振蕩顯示π的相移，稱為貝里相位（Berry’s phase）。[63][58] 貝里相位的產(chǎn)生是由于狄拉克點(diǎn)附近的零有效載流子質(zhì)量。[79] 振蕩的溫度依賴性揭示了載流子具有非零回旋質(zhì)量，盡管它們的有效質(zhì)量為零。[63]

在鎳膜上以及碳化硅的硅面和碳面上制備的石墨烯樣品直接在電學(xué)測量中顯示異常效應(yīng)。[79] 碳化硅碳面上的石墨層在角分辨光電發(fā)射實(shí)驗(yàn)中顯示出清晰的狄拉克譜，并在回旋共振和隧穿實(shí)驗(yàn)中觀察到這種效應(yīng)。[80]

強(qiáng)磁場

在10特斯拉以上的磁場中 σxy = νe2/h 隨著 ν = 0, ±1, ±4 被觀察到。[81] 達(dá)到平衡時(shí)，ν = 3[82] 分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)為 ν = 1?3 也有報(bào)道。[82][83]

這些觀察與 ν = 0, ±1, ±3, ±4 表明朗道能級(jí)的四重簡并(兩個(gè)谷和兩個(gè)自旋自由度)被部分或完全提升。

卡西米爾效應(yīng)（Casimir effect）

卡西米爾效應(yīng)（Casimir effect）是由電動(dòng)真空波動(dòng)引起的不相交中性體之間的相互作用。數(shù)學(xué)上，它可以通過考慮電磁場的簡正模來解釋，簡正模明確地取決于相互作用物體表面的邊界(或匹配)條件。由于石墨烯/電磁場的相互作用對于一個(gè)原子厚的材料來說是很強(qiáng)的，所以人們對卡西米爾效應(yīng)越來越感興趣。[84][85]

范德華力

范德華力(或色散力)也是不尋常的，遵循逆三次漸近冪律，與通常的逆四次冪律相反。[86]

大量的電子

石墨烯的晶胞有兩個(gè)相同的碳原子和兩個(gè)零能態(tài):一個(gè)是電子位于原子A上，另一個(gè)是電子位于原子B上。Hunt等人表明，將六方氮化硼(h-BN)與石墨烯接觸可以改變原子A與原子B的電勢，足以使電子產(chǎn)生大約30 meV的質(zhì)量和伴隨的帶隙(0.03 eV)。[87]

質(zhì)量可以是正的，也可以是負(fù)的。相對于原子B稍微提高原子A上電子能量的排列使其具有正質(zhì)量，而提高原子B能量的排列則產(chǎn)生負(fù)電子質(zhì)量。這兩個(gè)版本行為相似，通過光譜無法區(qū)分。從正質(zhì)量區(qū)到負(fù)質(zhì)量區(qū)的電子必須穿過質(zhì)量再次為零的中間區(qū)域。這個(gè)區(qū)域是無間隙的，因此是金屬的。限制相反符號(hào)質(zhì)量的半導(dǎo)體區(qū)域的金屬模式是拓?fù)湎嗟臉?biāo)志，并且顯示出與拓?fù)浣^緣體非常相同的物理性質(zhì)。[87]

如果石墨烯的質(zhì)量可以控制，電子可以被限制在無質(zhì)量的區(qū)域，通過用大質(zhì)量的區(qū)域包圍它們，允許量子點(diǎn)、線和其他介觀結(jié)構(gòu)的圖案化。它還沿著邊界產(chǎn)生一維導(dǎo)體。這些電線可以防止反向散射，并且可以攜帶電流而不會(huì)耗散。[87]

光學(xué)性質(zhì)

透射光下石墨烯的照片。這種單原子厚的晶體可以用肉眼看到，因?yàn)樗樟舜蠹s2.6%的綠光[59]和2.3%的紅光[60]。

石墨烯獨(dú)特的光學(xué)特性為真空中的原子單層帶來意想不到的高不透明度，吸收πα ≈ 2.3%的紅燈，其中α 是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。[88] 這是“單層石墨烯不尋常的低能電子結(jié)構(gòu)”的結(jié)果，其特征是電子和空穴錐形帶在狄拉克點(diǎn)相遇...這在質(zhì)量上不同于更常見的二次大質(zhì)量帶。”[89] 基于石墨的Slonczewski-Weiss-mccure能帶模型，在薄膜極限下用菲涅耳方程計(jì)算電導(dǎo)時(shí)，原子間距離、跳躍值和頻率抵消。

盡管通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)，但這一測量結(jié)果還不夠精確，不足以改進(jìn)其他測定精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的技術(shù)。[90]

多參數(shù)表面等離子體共振用于表征化學(xué)氣相沉積生長的石墨烯薄膜的厚度和折射率。在670處測量的折射率和消光系數(shù)值 納米波長分別為3.135和0.897。厚度從0.5毫米區(qū)域確定為3.7英寸，這與石墨晶體的層與層碳原子距離報(bào)告的3.35英寸一致。[91] 該方法還可以進(jìn)一步用于石墨烯與有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)的實(shí)時(shí)無標(biāo)記相互作用。此外，理論上證明了非可逆石墨烯基旋向界面中單向表面等離子激元的存在。通過有效控制石墨烯的化學(xué)勢，單向工作頻率可以從太赫茲到近紅外甚至可見光連續(xù)可調(diào)。[92] 特別地，在相同磁場下，單向頻率帶寬可以比金屬大1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由于石墨烯中極小有效電子質(zhì)量的優(yōu)勢。

石墨烯的帶隙可以從0調(diào)整到0.25 eV。通過在室溫下向雙柵雙層石墨烯場效應(yīng)晶體管(FET)施加電壓(約5微米波長)。[93] 通過施加磁場，石墨烯納米帶的光學(xué)響應(yīng)可調(diào)諧到太赫茲范圍。[94] 石墨烯/氧化石墨烯系統(tǒng)表現(xiàn)出電致變色行為，允許調(diào)節(jié)線性和超快光學(xué)性質(zhì)。[95]

制備了石墨烯基布拉格光柵(一維光子晶體)，并通過使用633 nm的氦氖激光器作為光源。[96]

飽和吸收

當(dāng)輸入光強(qiáng)度高于閾值時(shí)，這種獨(dú)特的吸收會(huì)變得飽和。這種非線性光學(xué)行為被稱為可飽和吸收，閾值被稱為飽和通量。由于石墨烯具有普遍的光學(xué)吸收和零帶隙，在可見光至近紅外區(qū)域的強(qiáng)激發(fā)下，石墨烯可以容易地飽和。這與光纖激光器的鎖模相關(guān)，其中全波段鎖模是通過石墨烯基可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)的。由于石墨烯的這種特殊性質(zhì)，它在超快光子學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。此外，石墨烯/氧化石墨烯層的光學(xué)響應(yīng)可以電調(diào)節(jié)。[95][97] 石墨烯由于其寬帶光吸收特性，可在微波和太赫茲波段發(fā)生飽和吸收。石墨烯的微波飽和吸收證明了石墨烯微波和太赫茲光子器件的可能性，如微波飽和吸收體、調(diào)制器、偏振器、微波信號(hào)處理和寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)。[98]

非線性克爾效應(yīng)

在更強(qiáng)的激光照射下，由于光學(xué)非線性克爾效應(yīng)，石墨烯也可能具有非線性相移?；诘湫偷拈_關(guān)孔徑z掃描測量，石墨烯具有巨大的非線性克爾系數(shù) 10?7 cm2?W?1幾乎比大塊電介質(zhì)大9個(gè)數(shù)量級(jí)。[99] 這表明石墨烯可能是一種強(qiáng)有力的非線性克爾介質(zhì)，有可能觀察到各種非線性效應(yīng)，其中最重要的是孤子。[100]

激子

利用準(zhǔn)粒子修正和多體效應(yīng)進(jìn)行第一性原理計(jì)算，研究石墨烯基材料的電子和光學(xué)性質(zhì)。該方法被描述為三個(gè)階段。[101] 通過GW計(jì)算，準(zhǔn)確地研究了石墨烯基材料的性質(zhì)，包括塊狀石墨烯，[102] 納米帶，[103] 邊緣和表面功能化扶手椅或沙發(fā)，[104] 氫飽和扶手椅絲帶，[105] 單一局部缺陷石墨烯納米結(jié)中的約瑟夫森效應(yīng)[106] 和扶手椅色帶縮放特性。[107]

穩(wěn)定性

從頭計(jì)算表明，如果石墨烯片的尺寸小于約20nm，則石墨烯片在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的 (“石墨烯在大約6000個(gè)原子之前是最不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)”)，并且僅對于大于24，000個(gè)原子的分子成為最穩(wěn)定的富勒烯(如在石墨中)。[108]

導(dǎo)熱性

石墨烯的熱傳輸是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，由于其熱管理應(yīng)用的潛力，引起了人們的關(guān)注。早期對懸浮石墨烯熱導(dǎo)率的測量報(bào)告顯示，與熱解石墨的室溫?zé)釋?dǎo)率相比（接近2000 W?m?1?K?1），其熱導(dǎo)率非常大，約為5300 W?m?1?K?1[109] 。[110] 然而，后來的研究質(zhì)疑這一超高值是否被高估了，而懸浮單層石墨烯的測量值介于1500 – 2500 W?m?1?K?1。[111][112][113][114] 報(bào)道的熱導(dǎo)率的大范圍可能是由于測量的不確定性以及石墨烯質(zhì)量和加工條件的變化造成的。此外，已知當(dāng)單層石墨烯支撐在無定形材料上時(shí)，室溫?zé)釋?dǎo)率降低到大約500 – 600 W?m?1?K?1。由于石墨烯晶格波被襯底散射，[115][116] 且對于包裹在無定形氧化物中較少層石墨烯來說甚至更低。[117] 同樣，對于雙層石墨烯，聚合物殘余物會(huì)導(dǎo)致懸浮石墨烯的熱導(dǎo)率類似地降低到大約500 – 600 W?m?1?K?1。[118]

有人認(rèn)為同位素組成，同位素與 12c至 13c，對熱導(dǎo)率有顯著影響。例如，同位素純的 12石墨烯的熱導(dǎo)率比50:50的同位素比或自然形成的99:1的同位素比都高。[119] 利用維德曼–夫蘭茲定理可以證明熱傳導(dǎo)是聲子主導(dǎo)的。[109] 然而，對于柵控石墨烯帶，施加的柵偏壓導(dǎo)致的費(fèi)米能頻移遠(yuǎn)大于 kBT ，在低溫下會(huì)導(dǎo)致電子貢獻(xiàn)增加并支配聲子貢獻(xiàn)。石墨烯的彈道熱導(dǎo)是各向同性的。[120][121]

通過考慮石墨，可以看出這種高導(dǎo)電性的潛力，石墨是石墨烯的3D版本，其基面熱導(dǎo)率超過1000 W?m?1?K?1 (與鉆石相當(dāng))。在石墨中，由于基面之間的弱結(jié)合力以及較大的晶格間距，c軸(平面外)熱導(dǎo)率比石墨小約100倍。[122] 此外，石墨烯的彈道熱導(dǎo)給出了每單位周長納米管長度的彈道熱導(dǎo)率的下限。[123]

盡管石墨烯具有二維性質(zhì)，但它有3種聲學(xué)聲子模式。兩個(gè)面內(nèi)模式(LA，TA)具有線性色散關(guān)系，而面外模式(ZA)具有二次色散關(guān)系。由于這個(gè)原因 T2 線性模式的導(dǎo)熱系數(shù)貢獻(xiàn)在低溫下由T決定。1.5 平面外模式的貢獻(xiàn)。[123] 一些石墨烯聲子帶顯示負(fù)格林內(nèi)森參數(shù)。[124] 在低溫下(大多數(shù)具有正古內(nèi)森參數(shù)的光學(xué)模式仍未被激發(fā))，負(fù)古內(nèi)森參數(shù)的貢獻(xiàn)將占主導(dǎo)地位，熱膨脹系數(shù)(與古內(nèi)森參數(shù)成正比)為負(fù)。最低的負(fù)Grü neisen參數(shù)對應(yīng)于最低的橫向聲ZA模式。這種模式的聲子頻率隨著面內(nèi)晶格參數(shù)的增加而增加，因?yàn)樵诶鞎r(shí)層中的原子在z方向上的自由移動(dòng)會(huì)更少。這類似于弦的行為，當(dāng)它被拉伸時(shí)，會(huì)有較小振幅和較高頻率的振動(dòng)。這種現(xiàn)象被稱為“膜效應(yīng)”，是立夫什茨在1952年預(yù)測的。[125]

機(jī)械性質(zhì)

石墨烯中的碳-碳鍵長度約為0.142納米。[126] 石墨烯片堆疊形成石墨，其晶面間距為0.335 nm。

石墨烯是有史以來測試過的最強(qiáng)的材料，[127] 固有拉伸強(qiáng)度為130 GPa，楊氏模量(剛度)為1 TPa (150000000 psi)。[128] 諾貝爾獎(jiǎng)的宣布說明了這一點(diǎn)，說1平方米的石墨烯吊床能支持4 kg的的貓，但是它的重量只有貓的一根胡須那么重0.77 mg(大約為1 m2紙的0.001%的重量)。[129]

大角度彎曲的石墨烯單層以可忽略的應(yīng)變獲得，顯示了二維碳納米結(jié)構(gòu)的機(jī)械魯棒性。即使在極端變形的情況下，單層石墨烯中優(yōu)異的載流子遷移率也可以保持。[130]

用原子力顯微鏡測量了懸浮石墨烯片的彈性常數(shù)。石墨烯片懸浮在上面 SiO2 原子力顯微鏡針尖對薄板施加應(yīng)力以測試其機(jī)械性能的空腔。與塊狀石墨不同，它的彈簧常數(shù)在1-5的范圍內(nèi) N/m，剛度為0.5 TPa。這些固有的特性可能會(huì)導(dǎo)致諸如作為壓力傳感器和諧振器的NEMS應(yīng)用。[131] 由于其大表面能和平面外延展性，平面石墨烯片在滾動(dòng)方面不穩(wěn)定，即彎曲成圓柱形，這是其低能狀態(tài)。[132]

如同所有材料一樣，石墨烯區(qū)域在相對位移中會(huì)受到熱和量子波動(dòng)的影響。雖然這些波動(dòng)的幅度在三維結(jié)構(gòu)中是有界的(甚至在無限大小的限制下)，但梅明-瓦格納定理表明，長波長波動(dòng)的幅度隨著2D結(jié)構(gòu)的尺度對數(shù)增長，因此在無限大小的結(jié)構(gòu)中是無界的。局部變形和彈性應(yīng)變受相對位移的這種長期差異的影響很小。據(jù)信，在沒有施加橫向張力的情況下，足夠大的2D結(jié)構(gòu)將彎曲和起皺以形成波動(dòng)的3D結(jié)構(gòu)。研究人員已經(jīng)觀察到石墨烯懸浮層的波紋，[49] 并且已經(jīng)提出波紋是由材料中的熱波動(dòng)引起的。由于這些動(dòng)態(tài)變形，石墨烯是否是真正的2D結(jié)構(gòu)是有爭議的。[49][49][50][133] 最近的研究表明，這些波紋，如果通過引入空位缺陷而放大，可以將負(fù)泊松比效應(yīng)賦予石墨烯，從而形成迄今為止已知的最薄的拉脹材料。[134]

石墨烯納米片已經(jīng)通過電鍍工藝結(jié)合到鎳基體中，以在目標(biāo)襯底上形成鎳-石墨烯復(fù)合材料。復(fù)合材料力學(xué)性能的提高歸因于鎳和石墨烯之間的高度相互作用以及石墨烯防止位錯(cuò)在鎳基體中滑動(dòng)。[135]

斷裂韌度

2014年，萊斯大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的研究人員表示，盡管石墨烯具有很強(qiáng)的強(qiáng)度，但它也相對易碎，斷裂韌性約為4MPa√m 。[136] 這表明，不完美的石墨烯很可能像陶瓷材料一樣以易碎的方式開裂，而許多金屬材料的斷裂韌性往往在15-50MPa√m范圍內(nèi)。2014年晚些時(shí)候，萊斯團(tuán)隊(duì)宣布石墨烯比任何已知材料都具有更強(qiáng)的分散沖擊力的能力，是每單位重量鋼的十倍。[137] 力量是在22.2 千米每秒(13.8 mi/s)。[138]

多晶石墨烯的機(jī)械性能

已經(jīng)開發(fā)了各種方法——最顯著的是化學(xué)氣相沉積(CVD)，如下文所述——來生產(chǎn)器件應(yīng)用所需的大規(guī)模石墨烯。這種方法通常合成多晶石墨烯。[139] 多晶石墨烯的力學(xué)性能受缺陷性質(zhì)的影響，如系統(tǒng)中存在的晶界和空位以及平均晶粒尺寸。研究人員已經(jīng)從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了這些缺陷對機(jī)械性能的影響。[140][139][141][142]

石墨烯晶界通常包含七邊形五邊形對。這種缺陷的排列取決于石墨烯晶界是之字形還是扶手椅形。它還取決于石墨烯晶界的傾斜角。[143] 2010年，布朗大學(xué)的研究人員通過計(jì)算預(yù)測，隨著傾斜角的增加，晶界強(qiáng)度也會(huì)增加。他們表明晶界上最薄弱的一環(huán)是在七邊形環(huán)的關(guān)鍵鍵上。隨著晶界角的增大，這些七邊形環(huán)中的應(yīng)變減小，導(dǎo)致晶界比小角晶界更強(qiáng)。他們提出，事實(shí)上，對于足夠大的角度，石墨烯的強(qiáng)度與原始石墨烯相似。[144] 2012年，進(jìn)一步顯示強(qiáng)度可以增加或減少，取決于缺陷的詳細(xì)安排。[145] 這些預(yù)測后來得到了實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。在2013年由詹姆斯·霍恩（James Hone）領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究中，研究人員通過結(jié)合納米壓痕和高分辨率透射電子顯微鏡，探索了化學(xué)氣相沉積石墨烯的彈性剛度和強(qiáng)度。他們發(fā)現(xiàn)彈性剛度相同，強(qiáng)度僅略低于原始石墨烯。[146] 同年，加州大學(xué)伯克利分校和加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員用透射電鏡和原子力顯微鏡探測了雙晶石墨烯。他們發(fā)現(xiàn)晶界的強(qiáng)度確實(shí)會(huì)隨著傾斜角的增加而增加。[147]

盡管空位的存在不僅普遍存在于多晶石墨烯中，空位對石墨烯的強(qiáng)度也有顯著影響。普遍的共識(shí)是，人數(shù)隨著空缺密度的增加而減少。事實(shí)上，各種研究表明，對于空位密度足夠低的石墨烯，其強(qiáng)度與原始石墨烯沒有顯著差異。另一方面，高密度的空位會(huì)嚴(yán)重降低石墨烯的強(qiáng)度。[141]

相對于晶界和空位對石墨烯力學(xué)性能影響的相當(dāng)廣為人知的性質(zhì)，研究人員對于平均晶粒尺寸對多晶石墨烯強(qiáng)度的一般影響沒有明確的共識(shí)。[140][141][142] 事實(shí)上，關(guān)于這個(gè)主題的三個(gè)值得注意的理論/計(jì)算研究得出了三個(gè)不同的結(jié)論。[148][149][150] 首先，在2012年，Kotakoski和Myer用“現(xiàn)實(shí)原子模型”研究了多晶石墨烯的力學(xué)性質(zhì)，使用了分子動(dòng)力學(xué)模擬。為了模擬化學(xué)氣相沉積的生長機(jī)制，他們首先隨機(jī)選擇與其他位置至少相差5A(任意選擇)的成核位置。從這些成核位置生成多晶石墨烯，隨后在3000K退火，然后淬火。基于該模型，他們發(fā)現(xiàn)裂紋始于晶界連接處，但晶粒尺寸不會(huì)顯著影響強(qiáng)度。[148] 其次，在2013年，Z. Song等人使用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了具有均勻尺寸六邊形晶粒的多晶石墨烯的力學(xué)性能。六邊形晶粒定向在不同的晶格方向，GBs僅由七邊形、五邊形和六邊形碳環(huán)組成。這種模型背后的動(dòng)機(jī)是，在液態(tài)銅表面生長的石墨烯薄片中已經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀察到類似的系統(tǒng)。雖然他們還注意到裂紋通常始于三重結(jié)，但是他們發(fā)現(xiàn)隨著晶粒尺寸的減小，石墨烯的屈服強(qiáng)度增加。基于這個(gè)發(fā)現(xiàn)，他們提出多晶遵循偽霍爾-佩特奇關(guān)系。[149] 第三，在2013年，ZD . Sha等人通過使用沃羅諾伊構(gòu)造模擬晶粒片，研究了晶粒尺寸對多晶石墨烯性能的影響。這個(gè)模型中的GBs包括七邊形、五邊形和六邊形，以及正方形、八邊形和空位。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，與前面提到的研究相反，他們發(fā)現(xiàn)了霍爾-佩特奇逆關(guān)系，其中石墨烯的強(qiáng)度隨著晶粒尺寸的增加而增加。[150] 實(shí)驗(yàn)觀察和其他理論預(yù)測也給出了不同的結(jié)論，類似于上面給出的三個(gè)。[142] 這種差異表明了晶粒尺寸、缺陷排列和缺陷性質(zhì)對多晶石墨烯機(jī)械性能影響的復(fù)雜性。

自旋傳輸

石墨烯被認(rèn)為是自旋電子學(xué)的理想材料，因?yàn)樗男∽孕?軌道互作用和碳中幾乎沒有核磁矩(以及弱超精細(xì)相互作用)。電自旋流注射和檢測已經(jīng)在室溫下得到證實(shí)。[151][152][153] 在室溫下觀察到1微米以上的自旋相干長度，[151] 并且在低溫下觀察到用電柵極控制自旋流極性。[152]

強(qiáng)磁場

石墨烯在10特斯拉左右磁場中的量子霍爾效應(yīng)揭示了其他有趣的特征?；魻栯妼?dǎo)率的附加平臺(tái)? ? 隨著? ? 被觀察到。[81] 同樣，觀察高原在? [82] 分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)為? ? 據(jù)報(bào)道。[82][83]

這些觀察與? ? 表明朗道能級(jí)的四重簡并(兩個(gè)谷和兩個(gè)自旋自由度)被部分或完全提升。一個(gè)假設(shè)是對稱性破缺的磁催化是導(dǎo)致退化的原因。

自旋電子學(xué)和磁性能可以同時(shí)存在于石墨烯中。[154] 通過使用非光刻方法制造的低缺陷石墨烯納米網(wǎng)格即使在室溫下也表現(xiàn)出大幅度鐵磁性。此外，對于平行于幾層鐵磁納米網(wǎng)格平面施加的場，發(fā)現(xiàn)自旋泵浦效應(yīng)，而在垂直場下觀察到磁阻磁滯回線。

磁性

2014年，研究人員通過將石墨烯放置在磁性釔鐵石榴石的原子級(jí)光滑層上來磁化石墨烯。石墨烯的電子特性不受影響。以前的方法包括用其他物質(zhì)摻雜石墨烯。[155] 摻雜劑的存在對其電子性質(zhì)產(chǎn)生了負(fù)面影響。[156]

生物應(yīng)用

新加坡國立大學(xué)石墨烯研究中心的研究人員在2011年發(fā)現(xiàn)了石墨烯在不使用生化誘導(dǎo)劑的情況下加速人類間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的驚人能力。[157]

2015年，研究人員通過在碳化硅上使用外延石墨烯，利用石墨烯創(chuàng)建了靈敏的生物傳感器。傳感器與8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)結(jié)合，并能夠與抗體選擇性結(jié)合。血液、尿液和唾液中8-羥基脫氧葡萄糖的存在通常與脫氧核糖核酸損傷有關(guān)。8-OHdG水平升高與患幾種癌癥的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。[158]

劍橋石墨烯中心和意大利的的里雅斯特大學(xué)就石墨烯作為電極與大腦神經(jīng)元相互作用進(jìn)行了一項(xiàng)合作研究。這項(xiàng)研究最近發(fā)表在ACS Nano上。

研究表明，未涂覆的石墨烯可以用作神經(jīng)界面電極，而不會(huì)改變或損害神經(jīng)功能，例如信號(hào)丟失或疤痕組織的形成。由于石墨烯電極的獨(dú)特性質(zhì)，如柔韌性、生物相容性和導(dǎo)電性，它在人體內(nèi)的穩(wěn)定性比現(xiàn)代(鎢或硅)電極要高得多。它可能有助于癱瘓或帕金森患者恢復(fù)感覺功能或運(yùn)動(dòng)障礙。[159]

支撐襯底

支撐襯底會(huì)顯著影響石墨烯的電子特性。研究人員已經(jīng)對清潔和氫鈍化的Si(100) (Si(100)/H)表面上的石墨烯單層進(jìn)行了研究。[160]Si(100)/H表面不干擾石墨烯的電子性質(zhì)，而清潔的硅(100)表面和石墨烯之間的相互作用顯著改變石墨烯的電子狀態(tài)。這種效應(yīng)來自于碳和表面硅原子之間的共價(jià)鍵，改變了石墨烯層的π軌道網(wǎng)絡(luò)。局域態(tài)密度表明，鍵合的碳和硅表面態(tài)在費(fèi)米能附近受到高度干擾。

形式

單層片材

2013年，一組波蘭科學(xué)家展示了一個(gè)生產(chǎn)單元，允許制造連續(xù)單層片材。[161] 這個(gè)過程是基于石墨烯在液態(tài)金屬基質(zhì)上的生長。[162] 該過程的產(chǎn)物叫做HSMG。

雙層石墨烯

雙層石墨烯顯示出反常的量子霍爾效應(yīng)，可調(diào)的帶隙[163] 和激子凝聚的潛力[164] 使其成為光電和納米電子應(yīng)用的有希望的候選產(chǎn)品。雙層石墨烯通?？梢栽趦蓪酉鄬πD(zhuǎn)的扭曲結(jié)構(gòu)或石墨伯納爾堆疊結(jié)構(gòu)中找到，其中一層中的一半原子位于另一層中的一半原子之上。[165] 堆疊順序和方向控制雙層石墨烯的光學(xué)和電子特性。

合成雙層石墨烯的一種方法是通過化學(xué)氣相沉積，這可以產(chǎn)生幾乎完全符合伯納爾堆疊幾何形狀的大雙層區(qū)域。[165]

石墨烯超晶格

周期性堆疊的石墨烯及其絕緣同構(gòu)在原子尺度實(shí)現(xiàn)高功能超晶格方面提供了一個(gè)吸引人的結(jié)構(gòu)元素，這為設(shè)計(jì)納米電子和光子器件提供了可能性。通過堆疊石墨烯及其相關(guān)形式可以獲得各種類型的超晶格。[166] 與傳統(tǒng)的ⅲ-ⅴ族半導(dǎo)體超晶格相比，疊層超晶格的能帶對勢壘寬度更為敏感。當(dāng)在每個(gè)周期中向勢壘添加一個(gè)以上的原子層時(shí)，相鄰勢阱中電子波函數(shù)的耦合可以顯著降低，這導(dǎo)致連續(xù)子帶退化為量化能級(jí)。當(dāng)改變井寬時(shí)，沿L-M方向的勢阱中的能級(jí)與沿K-H方向的能級(jí)表現(xiàn)得明顯不同。

石墨烯納米帶

石墨烯納米帶(“鋸齒形”取向的納米帶)在低溫下表現(xiàn)出自旋極化的金屬邊緣電流，這也暗示了其在自旋電子學(xué)新領(lǐng)域的應(yīng)用。(在“扶手椅”方向，邊緣表現(xiàn)得像半導(dǎo)體。[167])

石墨烯量子點(diǎn)

石墨烯量子點(diǎn)主要通過以下方法制備：微波輔助水熱法，[167][167] 軟模板方法，[167] 水熱法，[167][167][167] 超聲波剝離方法，[167] 電子束光刻法、化學(xué)合成法、電化學(xué)制備法、氧化石墨烯還原法和C60催化轉(zhuǎn)化法等。

氧化石墨烯

利用分散、氧化和化學(xué)處理的石墨在水中的造紙技術(shù)，單層薄片形成一個(gè)單一的薄片并形成牢固的結(jié)合。這些被稱為氧化石墨烯紙的薄片的測量拉伸模量為32 GPa。[167] 氧化石墨的化學(xué)性質(zhì)與附著在石墨烯片上的官能團(tuán)有關(guān)。這些可以改變聚合途徑和類似的化學(xué)過程。[168] 聚合物中的氧化石墨烯薄片顯示出增強(qiáng)的光導(dǎo)性能。[169] 石墨烯通常是疏水的，不滲透所有氣體和液體(真空密封)。然而，當(dāng)形成氧化石墨烯基毛細(xì)管膜時(shí)，液態(tài)水和水蒸氣流過的速度與膜不存在時(shí)一樣快。[170]

化學(xué)改性

單層氧化石墨烯經(jīng)高溫化學(xué)處理，導(dǎo)致薄片折疊和羧基功能喪失，或經(jīng)室溫碳二亞胺處理后坍縮成星形團(tuán)簇的照片。

通過石墨的化學(xué)改性可以在實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯的可溶性碎片[171] 。首先，用硫酸和硝酸的酸性混合物處理微晶石墨。一系列氧化和剝離步驟產(chǎn)生邊緣帶有羧基的小石墨烯片。這些通過用亞硫酰氯處理轉(zhuǎn)化為酰氯基團(tuán)；接下來，通過十八胺處理，它們被轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的石墨烯酰胺。所得材料(厚度為5.3埃的圓形石墨烯層)可溶于四氫呋喃、四氯甲烷和二氯乙烷。

在溶劑中回流單層氧化石墨烯(SLGO)，導(dǎo)致單個(gè)片的尺寸減小和折疊，以及羧基官能團(tuán)損失高達(dá)20%，這表明SLGO片的熱不穩(wěn)定性取決于它們的制備方法。當(dāng)使用亞硫酰氯時(shí)，產(chǎn)生了酰氯基團(tuán)，然后可以形成反應(yīng)性轉(zhuǎn)化率約為70-80%的脂肪族和芳香族酰胺。

Boehm滴定單層氧化石墨烯的各種化學(xué)反應(yīng)結(jié)果，揭示了羧基的反應(yīng)活性以及處理后SLGO薄片的穩(wěn)定性。

肼回流通常用于減少SLGO到SLG(R)，但滴定顯示只有約20-30%的羧基丟失，留下大量可用于化學(xué)附著。對該路線產(chǎn)生的SLG(R)的分析表明，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，使用鹽酸(< 1.0 M)室溫?cái)嚢钑?huì)導(dǎo)致約60%的COOH功能損失。用碳二亞胺對SLGO進(jìn)行室溫處理會(huì)導(dǎo)致單個(gè)片塌陷成星形簇，隨后與胺的反應(yīng)性較差(中間體轉(zhuǎn)化為最終酰胺的轉(zhuǎn)化率為3-5%)。[172] 顯而易見的是，在SLGO上羧酸基團(tuán)的常規(guī)化學(xué)處理產(chǎn)生單個(gè)片的形態(tài)變化，這導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)性降低，這可能限制它們在復(fù)合合成中的應(yīng)用。因此，已經(jīng)探索了化學(xué)反應(yīng)類型。SLGO還接枝了聚烯丙胺，通過環(huán)氧基團(tuán)交聯(lián)。當(dāng)過濾成氧化石墨烯紙時(shí)，這些復(fù)合材料相對于未改性的氧化石墨烯紙表現(xiàn)出增加的硬度和強(qiáng)度。[173]

石墨烯片兩側(cè)的完全氫化產(chǎn)生石墨烯，但部分氫化產(chǎn)生氫化石墨烯。[174] 類似地，石墨烯的兩面氟化(或氟化石墨的化學(xué)和機(jī)械剝離)導(dǎo)致氟代石墨烯(氟化石墨烯)，[175] 而部分氟化(通常是鹵化)提供氟化(鹵化)石墨烯。

石墨烯配體/配合物

石墨烯可以通過引入官能團(tuán)成為配位金屬和金屬離子的配體。石墨烯配體的結(jié)構(gòu)類似于例如金屬卟啉配合物、金屬酞菁配合物和金屬菲咯啉配合物。銅離子和鎳離子可以與石墨烯配體配位。[176][177]

石墨烯纖維

2011年，研究人員報(bào)道了一種新穎而簡單的方法，從化學(xué)氣相沉積生長的石墨烯薄膜中制備石墨烯纖維。[178] 該方法是可擴(kuò)展和可控的，通過控制具有合適表面張力的溶劑的蒸發(fā)來提供可調(diào)的形態(tài)和孔結(jié)構(gòu)?；谶@種石墨烯纖維的柔性全固態(tài)超級(jí)電容器在2013年得到了展示。[179]

2015年，研究人員將小的石墨烯碎片嵌入到由較大的卷曲石墨烯片形成的縫隙中，然后退火提供傳導(dǎo)途徑，形成盤繞的石墨烯，而碎片有助于增強(qiáng)纖維。所得纖維提供了更好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1290瓦/米/開爾文，而抗拉強(qiáng)度達(dá)到1080兆帕。[180]

2016年，通過氧化石墨烯液晶的高通量濕法紡絲，然后通過全面協(xié)同缺陷工程策略石墨化，生產(chǎn)出具有優(yōu)異機(jī)械性能和優(yōu)異導(dǎo)電性的千米級(jí)連續(xù)石墨烯纖維。[181] 石墨烯纖維性能優(yōu)越，有望在功能紡織品、輕型電機(jī)、微電子器件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3D石墨烯

2013年，六邊形排列碳的三維蜂窩被稱為3D石墨烯。最近，自支撐3D石墨烯也被生產(chǎn)出來。[182] 石墨烯的三維結(jié)構(gòu)可以通過化學(xué)氣相沉積或溶液法制備。Khurram和Xu等人最近的綜述提供了石墨烯和其他相關(guān)二維材料的3D結(jié)構(gòu)制造的最新技術(shù)的總結(jié)。最近，石溪大學(xué)的研究人員報(bào)道了一種新的自由基引發(fā)的交聯(lián)方法，該方法使用納米材料作為構(gòu)建模塊，不使用任何聚合物基質(zhì)作為支撐，來制造石墨烯和碳納米管的多孔三維獨(dú)立結(jié)構(gòu)。[183] 這些3D石墨烯(全碳)支架/泡沫在能量存儲(chǔ)、過濾、熱管理以及生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和植入物等多個(gè)領(lǐng)域具有應(yīng)用。[184]

最近報(bào)道了熱解石墨機(jī)械裂解后出現(xiàn)的箱形石墨烯(BSG)納米結(jié)構(gòu)。 所發(fā)現(xiàn)的納米結(jié)構(gòu)是平行中空納米通道的多層系統(tǒng)，其沿著表面定位并具有四邊形橫截面。通道壁的厚度大約等于1 nm。BSG應(yīng)用的潛在領(lǐng)域包括:超靈敏探測器、高性能催化電池、用于DNA測序和操作的納米通道、高性能散熱表面、高性能可充電電池、納米機(jī)械諧振器、發(fā)射納米電子器件中的電子倍增通道、用于安全儲(chǔ)氫的高容量吸附劑。

三維雙層石墨烯也有報(bào)道。[185][186]

柱撐石墨烯

柱撐石墨烯是一種混合碳，由碳納米管定向陣列組成，每一端連接一片石墨烯。2008年，喬治·弗魯達(dá)基斯（George Froudakis）和他在希臘的同事首次從理論上描述了這一點(diǎn)。柱撐石墨烯尚未在實(shí)驗(yàn)室合成，但有人認(rèn)為它可能具有有用的電子性質(zhì)，或作為儲(chǔ)氫材料。

增強(qiáng)石墨烯

嵌入碳納米管增強(qiáng)棒(“鋼筋”)的石墨烯更容易被擺布使用，同時(shí)提高了兩種材料的電氣和機(jī)械質(zhì)量。[187]

功能化的單壁或多壁碳納米管旋涂在銅箔上，然后加熱和冷卻，使用納米管本身作為碳源。在加熱下，功能性碳基團(tuán)分解成石墨烯，而納米管部分分裂并與石墨烯形成面內(nèi)共價(jià)鍵，增加了強(qiáng)度。π-π堆積域增加了強(qiáng)度。納米管可以重疊，使得這種材料比標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)氣相沉積生長的石墨烯更好的導(dǎo)體。納米管有效地橋接了傳統(tǒng)石墨烯中的晶界。該技術(shù)消除了使用外延沉積后來分離的薄片的襯底的痕跡。

已經(jīng)提出了幾層堆疊作為顯示器和光伏電池中使用的銦錫氧化物的成本有效且物理上靈活的替代物。

模塑石墨烯

一層石墨烯薄膜被浸泡在溶劑中，使其膨脹并變得有延展性，并覆蓋在下面的襯底“模板”上。隨著時(shí)間的推移，溶劑蒸發(fā)了，留下了一層石墨烯，石墨烯呈現(xiàn)出底層結(jié)構(gòu)的形狀。這樣，研究團(tuán)隊(duì)能夠制備一系列相對復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)形狀。[188] 圖像大小從3.5 μm到50 μm不等。純石墨烯和金修飾的石墨烯分別成功地與襯底集成。[189]

石墨烯氣凝膠

由碳納米管分隔的石墨烯層制成的氣凝膠的密度為每立方厘米0.16毫克。將石墨烯和碳納米管在模具中的溶液冷凍干燥，使溶液脫水，留下氣凝膠。該材料具有優(yōu)異的彈性和吸收性。它可以在90%以上的壓縮后完全恢復(fù)，并以每秒68.8克的速度吸收高達(dá)其重量900倍的油。[190]

石墨烯納米油

2015年，在石墨碳(煤)中發(fā)現(xiàn)了一種卷曲形式的石墨烯。螺旋效應(yīng)是由材料六邊形網(wǎng)格中的缺陷產(chǎn)生的，導(dǎo)致它沿著其邊緣螺旋，模仿一個(gè)黎曼曲面，石墨烯表面近似垂直于軸。當(dāng)電壓加到這樣一個(gè)線圈上時(shí)，電流繞著螺旋流動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)磁場。盡管電流分布不同，這種現(xiàn)象適用于鋸齒形或扶手形的螺旋。計(jì)算機(jī)模擬表明，直徑為205微米的傳統(tǒng)螺旋感應(yīng)器可以與僅70納米寬的納米油相匹配，場強(qiáng)高達(dá)1特斯拉。[191]

在賴斯，根據(jù)雅各布森及其團(tuán)隊(duì)的研究，通過計(jì)算機(jī)模型分析，納米螺線管應(yīng)該能夠產(chǎn)生大約1特斯拉的磁場強(qiáng)度與典型揚(yáng)聲器中的線圈大致相同，并且與一些MRI機(jī)器的磁場強(qiáng)度大致相同。他們發(fā)現(xiàn)磁場在螺旋中心的中空納米寬的空腔中最強(qiáng)。[191]

由這種線圈制成的螺線管表現(xiàn)為量子導(dǎo)體，其芯和外部之間的電流分布隨著施加的電壓而變化，導(dǎo)致非線性電感。[192]

制備方法

已經(jīng)開發(fā)出一系列快速增長的石墨烯生產(chǎn)技術(shù)，使石墨烯能夠用于商業(yè)應(yīng)用。

即使在原理上，孤立的2D晶體也不能通過化學(xué)合成在小尺寸之外生長，因?yàn)槁曌用芏入S著橫向尺寸的增加而快速增長，迫使2D微晶彎曲到第三維。[193]

在所有情況下，石墨烯必須結(jié)合到基底上才能保持其二維形狀。[193]

剝離

截至2014年，剝離產(chǎn)生的石墨烯具有最低數(shù)量的缺陷和最高的電子遷移率。[193]

Geim和Novoselov最初使用膠帶將石墨烯片從石墨上扯下來。實(shí)現(xiàn)單層通常需要多個(gè)剝離步驟。剝落后，薄片沉積在硅片上。所得的晶體大于1mm的，且肉眼可見。[193]

或者，尖銳的單晶金剛石楔穿透石墨源以劈開各層。[194]

在1962年，P.Boehm報(bào)道生產(chǎn)了單層還原氧化石墨烯薄片。[195][196] 氧化石墨的快速加熱和剝落產(chǎn)生了高度分散的碳粉和百分之幾的石墨烯薄片。

另一種方法是還原氧化石墨單層膜，例如通過肼，在氬氣/氫氣中退火，具有幾乎完整的碳框架，允許有效去除官能團(tuán)。超過了測量的電荷載流子遷移率 1,000 centimetres (393.70 inches)/Vs[197]

2014年，以石墨為原料，使用混合器產(chǎn)生的局部剪切速率大于10×104，可以制備無缺陷、未氧化的含石墨烯液體。[198][199]

燃燒涂有氧化石墨的DVD產(chǎn)生了高電阻和延展性的導(dǎo)電石墨烯薄膜(1738 S/m)和比表面積(1520 m2/g)。[200]

將石墨分散在液體介質(zhì)中然后通過超聲處理、離心，可以產(chǎn)生石墨烯，[201] 生產(chǎn)濃度2.1 mg/mL（在N-甲基吡咯烷酮中）。[202] 使用合適的離子液體作為分散液體可產(chǎn)生濃度為5.33 mg/mL。[203] 這種技術(shù)的一個(gè)問題是石墨烯的重新堆疊。

在超聲處理前向溶劑中加入表面活性劑，通過吸附到石墨烯表面來防止再堆積。這產(chǎn)生了更高的石墨烯濃度，但是需要化學(xué)處理去除表面活性劑。

在兩種不混溶的液體(最顯著的是庚烷和水)的界面上超聲處理石墨，產(chǎn)生了大尺度石墨烯薄膜。石墨烯片被吸附到材料之間的高能界面上，并防止重新堆積。這些片材高達(dá)約95%的透明性和導(dǎo)電性。[204]

通過確定的解理參數(shù)，可以在石墨晶體上制備箱形石墨烯(BSG)納米結(jié)構(gòu)。[205]

熔融鹽類

石墨顆?？梢栽谌廴邴}中腐蝕，形成包括石墨烯在內(nèi)的各種碳納米結(jié)構(gòu)。[205] 溶解在熔融氯化鋰中的氫陽離子可以被放在陰極極化的石墨棒上，然后被脫插剝離石墨烯片。所生產(chǎn)的石墨烯納米片顯示出橫向尺寸為幾百納米的單晶結(jié)構(gòu)以及高度的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性。[206]

電化學(xué)合成

電化學(xué)合成可以剝離石墨烯。改變脈沖電壓控制厚度、薄片面積、缺陷數(shù)量并影響其性能。這個(gè)過程開始于將石墨浸泡在溶劑中進(jìn)行插層。可以通過使用發(fā)光二極管和光電二極管監(jiān)控解決方案的透明度來跟蹤該過程。 [207][208]

熱液自組裝

通過使用糖(如葡萄糖、糖、果糖等)制備的。)這種無底物的“自下而上”合成石墨烯比剝離法更安全、更簡單和更環(huán)保。這種方法可以控制石墨烯的厚度從單層到多層，稱為“湯流法”。[209]

化學(xué)汽相淀積

外延

外延石墨烯可以通過范德華力弱耦合到表面，以保持隔離石墨烯的二維電子能帶結(jié)構(gòu)。[210]

在低壓下(c. 10?6 torr)，將碳化硅加熱到高溫(1100 °C)，可將其還原為石墨烯。[211][211][211][211][211][211]

一個(gè)普通的硅晶片涂有一層浸在稀氫氟酸中的鍺，剝離自然形成的氧化鍺基團(tuán)，產(chǎn)生氫封端的鍺?；瘜W(xué)氣相沉積可以用石墨烯覆蓋。[212][213]

絕緣體上直接合成石墨烯二氧化鈦2 具有高介電常數(shù)(高κ)。已經(jīng)證實(shí)，在不使用任何金屬催化劑的情況下，兩步化學(xué)氣相沉積法可以在二氧化鈦晶體或剝離的二氧化鈦納米片上直接生長石墨烯。[214]

金屬基板

包括釕的金屬襯底的原子結(jié)構(gòu)，[215] 銥，[216] 鎳[217] 和銅[218]

乙醇鈉熱解

金屬鈉還原乙醇，然后熱解并用水洗滌，可產(chǎn)生克級(jí)的石墨烯。[219]

卷對卷

2014年宣布了一個(gè)兩步卷對卷制造流程。第一個(gè)卷到卷步驟通過化學(xué)氣相沉積生產(chǎn)石墨烯。第二步是將石墨烯結(jié)合到襯底上。[220][221]

冷墻

據(jù)稱，在工業(yè)電阻加熱冷壁化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中生長石墨烯的速度比傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)快100倍，成本降低99%，并生產(chǎn)出具有增強(qiáng)電子質(zhì)量的材料。[222][223]

晶圓級(jí)化學(xué)氣相沉積石墨烯

化學(xué)氣相沉積石墨烯是可量產(chǎn)的，并且已經(jīng)通過在沉積的銅薄膜催化劑上在100到300 mm標(biāo)準(zhǔn)Si/SiO2 晶圓上生長與CMOS技術(shù)集成[224][225][226]。通過大量的拉曼成像證實(shí)，在100到300 mm的可以忽略缺陷的晶圓襯底上，可以制備覆蓋率> 95%的單層石墨烯。[225][226]

納米管切片

可以通過切割或蝕刻打開碳納米管來制造石墨烯。[227] 在該方法中，通過高錳酸鉀和硫酸的作用，在溶液中切開多壁碳納米管。[228][229]

二氧化碳還原

一個(gè)高度放熱的反應(yīng)在與二氧化碳的氧化還原反應(yīng)中燃燒鎂，產(chǎn)生包括石墨烯和富勒烯在內(nèi)的碳納米粒子。[230]

旋轉(zhuǎn)涂覆

2014年，通過旋涂和退火功能化碳納米管，研究人員制備了碳納米管增強(qiáng)石墨烯。[231]

超音速噴霧

經(jīng)過拉瓦爾噴嘴的超音速加速的液滴可以用于在襯底上沉積還原型氧化石墨烯。撞擊的能量將碳原子重新排列成完美的石墨烯。[231][232]

另一種方法是以超音速將布基球噴射到基材上。這些球在撞擊時(shí)裂開，隨之產(chǎn)生的未拉開拉鏈的籠子粘合在一起形成石墨烯薄膜。[233]

激光

2014年CO2 紅外激光從商業(yè)聚合物薄膜生產(chǎn)和圖案化多孔三維石墨烯薄膜網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果顯示出高導(dǎo)電性。激光誘導(dǎo)生產(chǎn)似乎允許卷到卷的制造過程。[234]

微波輔助氧化

2012年，據(jù)報(bào)道微波能可以一步直接合成石墨烯。[235] 這種方法避免了在反應(yīng)混合物中使用高錳酸鉀。還報(bào)道了在微波輻射輔助下，可以通過控制微波時(shí)間合成有孔或無孔氧化石墨烯。[236] 微波加熱可以大大縮短反應(yīng)時(shí)間，從幾天縮短到幾秒鐘。

離子注入

在電場下加速碳離子進(jìn)入SiO2/Si, 襯底上由薄鎳膜制成的半導(dǎo)體，在相對較低的500 ℃溫度下產(chǎn)生晶片級(jí)(4英寸（100 mm）)無褶皺/撕裂/殘留物的石墨烯層。[237][238]

石墨烯類似物

石墨烯類似物[239] (也稱為“人造石墨烯”)是表現(xiàn)出類似于石墨烯的性質(zhì)的二維體系。自2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，石墨烯類似物得到了深入研究。人們試圖開發(fā)比石墨烯更容易觀察和理解物理的體系。在這些體系中，所使用的粒子并不總是電子。它們可能是光子，[240] 微波光子，[241] 等離子體團(tuán)，[242] 微腔極化激元，[243] 甚至原子。[244] 此外，蜂窩結(jié)構(gòu)中粒子的演化可以擁有與石墨烯中的碳原子所不同的性質(zhì)。它可以分別是光子晶體、金屬棒陣列、金屬納米粒子、耦合微腔晶格或光學(xué)晶格。

用途

(a)觸摸屏中觸摸傳感器的典型結(jié)構(gòu)。(b) 2D碳石墨烯材料有限公司基于石墨烯透明導(dǎo)電體的觸摸屏的實(shí)際例子，用于(c)商業(yè)智能手機(jī)。

石墨烯是一種透明且柔韌的導(dǎo)體，可以用于各種材料/器件，包括太陽能電池，[245] 發(fā)光二極管、觸摸面板和智能窗戶或手機(jī)。[246] 根據(jù)中國常州的二維石墨烯材料有限責(zé)任公司（2D Carbon Graphene Material Co.,Ltd） 的信息，基于石墨烯的觸摸面板模塊已經(jīng)大量出售給手機(jī)、可穿戴設(shè)備和家電制造商。例如，帶有石墨烯觸摸屏的智能手機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)上市。

2013年，海德（Head）宣布了他們的新系列石墨烯網(wǎng)球拍。[247]

截至2015年，有一種產(chǎn)品可用于商業(yè)用途:摻有石墨烯的打印機(jī)粉末。[248] 石墨烯的許多其他用途已經(jīng)提出或正在開發(fā)中，包括電子、生物工程、過濾、輕質(zhì)/強(qiáng)復(fù)合材料、光伏和儲(chǔ)能。[249][249] 石墨烯通常以粉末和聚合物基質(zhì)中的分散體的形式生產(chǎn)。這種分散體據(jù)說適用于高級(jí)復(fù)合材料，[250][251] 油漆和涂料，潤滑劑，油和功能流體，電容器和電池，熱管理應(yīng)用，展示材料和包裝，太陽能電池，油墨和3D打印機(jī)材料，屏障和薄膜。[252]

2016年，研究人員已經(jīng)能夠制造出可以吸收95%入射光的石墨烯薄膜。[253] 它也變得越來越便宜；最近格拉斯哥大學(xué)的科學(xué)家制備了成本比之前方法低100倍的石墨烯。[254]

2016年8月2日，據(jù)說BAC的新Mono車型是由石墨烯制成的，這是第一款街頭合法軌道車和量產(chǎn)車。[255]

健康風(fēng)險(xiǎn)

文獻(xiàn)中關(guān)于石墨烯的毒性有廣泛的爭論。Lalwani等人發(fā)表的最全面的石墨烯毒性綜述專門總結(jié)了石墨烯的體外、體內(nèi)、抗菌和環(huán)境效應(yīng)，并強(qiáng)調(diào)了石墨烯毒性的各種機(jī)制。[256]結(jié)果表明，石墨烯的毒性取決于多種因素，如形狀、大小、純度、生產(chǎn)后加工步驟、氧化狀態(tài)、官能團(tuán)、分散狀態(tài)、合成方法、給藥途徑和劑量以及暴露時(shí)間。

石溪大學(xué)的研究表明，石墨烯納米帶、石墨烯納米片和石墨烯納米洋蔥在濃度高達(dá)50 g/ml時(shí)是無毒的。這些納米粒子不會(huì)改變?nèi)祟惞撬韪杉?xì)胞向成骨細(xì)胞(骨)或脂肪細(xì)胞(脂肪)的分化，這表明石墨烯納米粒子在低劑量下對于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用是安全的。[257] 布朗大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn) 多層石墨烯薄片能夠穿透溶液中的細(xì)胞膜。觀察到它們最初通過尖銳和鋸齒狀的點(diǎn)進(jìn)入，允許石墨烯在細(xì)胞內(nèi)被吸收。其生理影響仍不確定，這仍是一個(gè)相對未被探索的領(lǐng)域。

? ? 我科學(xué)家取得石墨烯研究新進(jìn)展

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2021.6.10

光明日報(bào)記者 詹媛 光明日報(bào)通訊員 郭輝

石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含豐富且新奇的物理，不僅為基礎(chǔ)科學(xué)提供了重要的研究平臺(tái)，而且在電子、光電子、柔性器件等領(lǐng)域顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。為了充分發(fā)揮石墨烯的優(yōu)異性質(zhì)并實(shí)現(xiàn)其工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用，須找到合適的材料制備方法，使制備出的石墨烯能夠同時(shí)滿足大面積、高質(zhì)量、與現(xiàn)有的硅工藝兼容等條件。截至目前，大面積、高質(zhì)量石墨烯單晶通常都是在過渡金屬表面外延生長而獲得的，但后續(xù)復(fù)雜的轉(zhuǎn)移過程通常會(huì)引起石墨烯質(zhì)量的退化和界面的污染，從而阻礙石墨烯在電子器件方面的應(yīng)用。

近年來，中國科學(xué)院院士、中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員高鴻鈞帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在石墨烯及類石墨烯二維原子晶體材料的制備、物性調(diào)控及應(yīng)用等方面開展了研究和探索，取得了一系列研究成果。在早期的研究工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在過渡金屬表面外延生長的石墨烯具有大面積、高質(zhì)量、連續(xù)、層數(shù)可控等優(yōu)點(diǎn)；進(jìn)一步發(fā)展了基于該體系的異質(zhì)元素插層技術(shù)，運(yùn)用該技術(shù)可有效避免復(fù)雜的石墨烯轉(zhuǎn)移過程，使大面積、高品質(zhì)石墨烯單晶可以無損地置于異質(zhì)元素插層基底之上。隨后，研究人員揭示了石墨烯無損插層的普適機(jī)制；利用該插層技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空氣中穩(wěn)定存在的石墨烯/硅烯異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建和對石墨烯電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。

在上述研究基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)的博士后郭輝、博士生王雪艷和副主任工程師黃立等經(jīng)過持續(xù)努力，實(shí)現(xiàn)了金屬表面外延高質(zhì)量石墨烯的二氧化硅絕緣插層，并原位構(gòu)筑了石墨烯電子學(xué)器件。研究人員在Ru(0001)表面實(shí)現(xiàn)了厘米尺寸、單晶石墨烯的外延生長；在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了分步插層技術(shù)，通過在同一樣品上插入硅和氧兩種元素，在石墨烯和Ru基底的界面處實(shí)現(xiàn)了二氧化硅薄膜的生長；隨著硅、氧插層量的增加，界面處二氧化硅逐漸變厚，其結(jié)構(gòu)由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)；當(dāng)二氧化硅插層薄膜到達(dá)一定厚度時(shí)，石墨烯與金屬基底之間絕緣；利用這一二氧化硅插層基底上的石墨烯材料，可實(shí)現(xiàn)原位非轉(zhuǎn)移的外延石墨烯器件的制備。實(shí)驗(yàn)上首先通過截面掃描透射電子顯微鏡的研究，證明了薄層晶態(tài)二氧化硅的雙層結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步結(jié)合掃描隧道顯微鏡及拉曼光譜的研究，表明二氧化硅插層之后石墨烯仍保持大面積連續(xù)及高質(zhì)量性質(zhì)；隨著硅、氧插層量的增加，掃描透射電鏡圖像顯示界面處二氧化硅的厚度可達(dá)1.8納米；垂直方向輸運(yùn)測試及理論計(jì)算