神奇的石墨烯——石墨烯的研究进展石墨烯简介石墨烯（Graphene），又称单层石墨，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。
石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在[1]，直至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，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
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"；导热系数高达5300 W/m•K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率*超过15000 cm2/V•s，又比纳米碳管或硅晶体*高，而电阻率只约10-6 Ω•cm，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，电子跑的速度极快，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。
石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。
石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。
石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)，也可称为“单层石墨”。
石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。
石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42Å。
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。
另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。
由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。
石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。
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；另外石墨烯还被做成弹道晶体管（ballistic transistor）并且吸引了大批科学家的兴趣。
在2006年3月，佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路.石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。
它是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。
石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子场论才能描绘。
既然石墨烯这么的神奇，有这么多的特性，那它的制备会不会特别难呢？事实表明现在大规模的制造石墨烯还比较困难，但小规模的制造用于科研还是比较容易的。
最初制造的方法甚至简单的让你认为有点儿戏。
石墨烯的制备1、机械剥离法1.1、原始机械剥离法用机械剥离法将普通的石墨片层减至最薄的努力可以追溯到1960年，当时委内瑞拉电镜学家HumbertoFem6ndez．Mor丘n试图寻找一种具有足够强度的、对电子束透明的并且质地均一的材料作为样品的支持膜，他成功地从石墨晶体中剥离出了厚度为5 nm(约15层石墨烯)的石墨片层。
“但从那以后，机械剥离法减薄石墨片层的研究几乎停滞了。
1990年以后，随着富勒烯和碳纳米管的发现，关于石墨烯的研究再次兴起。
研究者发现当原子力显微镜(AFM)的探头在高定向热解石墨(HOPG)的表面摩擦后，可以掀起厚度在4 nm左右的石墨烯纳米带并可以将其在HOPG的表面上折成几折，如图1所示。
但是当时研究者并未将石墨烯纳米片层从HOPG的表面上转移到其它的衬底上Ⅲ1。
1999年，Rodlaey S．Ruoff等将HOPG上刻蚀出的石墨柱在硅衬底上涂抹，得到了厚度小于10 nm的石墨片层。
具体的做法是：首先在HOPG的表面上镀一层SiO，，然后在SiO：的表面涂上一层光刻胶，在光刻胶上光刻后用氧氟酸(HF)将不受光刻胶保护的SiO：除去，再将剩余的光刻胶除净。
这样留下的岛状SiO：就会像面具一样保护HPOG不受氧等离子刻蚀的影响，而未受保护的地方将会受到刻蚀。
在除去剩余的SiO：后，最终在HPOG的表面上留下排列规整的石墨柱，如图2所示值得注意的是，这些石墨柱的高度可以通过调节氧等离在Ruoff方法的基础之上，Philip Kim等发展出一种更为精细的剥离方法¨“。
在HOPG的表面上刻蚀出石墨柱之后，用精密操作手将其转移到AFM的悬臂上固定好，然后以悬臂上安装的石墨柱为针尖，在SiO：／Si衬底上进行接触模式(Contact Mode)下的操作。
假设石墨与衬底之间的摩擦系数约为l，则从石墨晶体的顶部剥离面积约为I斗m2的石墨片层需要的力大约为300 nN2．1.2、新的机械剥离法（微机械剥离法）Manchester 大学Geim领导的研究组2004 年在Science 上发表论文, 报道了他们用机械剥离法(mechanical exfoliation)制备得到了最大宽度可达10μm 的石墨烯片(图2). 其方法主要是用氧等离子束在高取向热解石墨(HOPG)表面刻蚀出宽20 μm-2mm、深5 μm 的槽面, 并将其压制在附有光致抗蚀剂的SiO2/Si 基底上, 焙烧后, 用透明胶带反复剥离出多余的石墨片, 剩余在Si 晶片上的石墨薄片浸泡于丙酮中, 并在大量的水与丙醇中超声清洗, 去除大多数的较厚片层后得到厚度小于10 nm 的片层, 这些薄的片层主要依靠范德华力或毛细作用力(capillary forces)与SiO2 紧密结合, 最后在原子力显微镜下挑选出厚度仅有几个单原子层厚的石墨烯片层. 此方法可以得到宽度达微米尺寸的石墨烯片, 但不易得到独立的单原子层厚的石墨烯片, 产率也很低,因此, 不适合大规模的生产及应用.随后, 这一方法得到了进一步研究并成为制备石墨烯的重要方法之一, Novoselov等用这种方法制备出了单层石墨烯, 并验证了其能够独立存在;随后Meyer 等将机械剥离法制备的含有单层石墨烯的Si 晶片放置于一个经过刻蚀的金属架上, 用酸将Si 晶片腐蚀掉, 成功制备了由金属支架支撑的悬空的单层石墨烯, 他们研究后发现单层石墨烯并不是一个平整的平面, 而是平面上有一定高度(5-10nm)的褶皱; Schleberger 等用该方法在不同基底上制备出石墨烯, 将常用的SiO2 基底更换为其它的绝缘晶体基底(如SrTiO3, TiO2, Al2O3 和CaF2 等), 所制得的石墨烯单层厚度仅为0.34 nm, 远远小于在SiO2 基底上制得的石墨烯, 该方法还有利于进一步研究石墨烯与基底的相互作用.2、氧化石墨-还原法石墨先经化学氧化得到边缘含有羧基、羟基,层间含有环氧及羰基等含氧基团的石墨氧化物(graphite oxide), 此过程可使石墨层间距离从0.34nm 扩大到约0.78 nm, 再通过外力剥离(如超声剥离)得到单原子层厚度的石墨烯氧化物(grapheneoxide), 进一步还原可制备得到石墨烯. 这种方法制备的石墨烯为独立的单层石墨烯片, 产量高, 应用广泛.石墨的氧化方法主要有Hummers、Brodie和Staudenmaier三种方法, 它们都是用无机强质子酸(如浓硫酸、发烟HNO3 或它们的混合物)处理原始石墨, 将强酸小分子插入石墨层间, 再用强氧化剂(如KMnO4、KClO4 等)对其进行氧化. Hummers 氧化法的优点是安全性较高; 与Hummers 法及Brodie法相比, Staudemaier法由于使用浓硫酸和发烟硝酸混合酸处理石墨, 对石墨层结构的破坏较为严重. 氧化剂的浓度和氧化时间对制备的石墨烯片的大小及厚度有很大影响, 因此, 氧化剂浓度及氧化时间需经过仔细筛选, 才能得到大小合适的单层氧化石墨烯片.制备的石墨氧化物均需经过剥离、还原等步骤才能得到单层的石墨烯. 剥离的方法一般用超声剥离法, 即将石墨氧化物悬浮液在一定功率下超声一定的时间. 超声波在氧化石墨悬浮液中疏密相间地辐射, 使液体流动而产生数量众多的微小气泡, 这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长, 而在正压区迅速闭合, 在这种被称之为“空化”效应的过程中, 气泡闭合可形成超过1.0×108 Pa 个大气压的瞬间高压, 连续不断产生的高压就象一连串小“爆炸”不断地冲击石墨氧化物, 使石墨氧化物片迅速剥落生成单层石墨氧化物(即石墨烯氧化物). 另外, 石墨烯氧化物片的大小可以通过超声功率的大小及超声时间的长短进行调节.制备的石墨氧化物也可通过LB(Langmuir-Blodgett)膜技术组装成石墨烯氧化物片, 先将石墨氧化物在水-甲醇的混合溶液中超声约30 min, 离心(8000 r·min-1)除去少量的副产物与较小的石墨氧化物片层后, 重新分散于水-甲醇溶液中, 进一步离心(2500 r·min-1)去除较大的石墨氧化物片, 最后可获得宽度为5-20 μm 的石墨氧化物片. 将上述过程制得的石墨氧化物用玻璃注射器按100 μL·min-1的速度注入填满二次水的水槽里, 由张力计监控表面压力, 压制速率为20 m2·min-1. 随着甲醇的蒸发, 石墨氧化物在水中形成单层. 此法可获得厚度约为1nm, 面积较大的石墨烯氧化物片层.最后, 制__备的单层石墨烯氧化物还需经还原后才能得到石墨烯, 还原的方法有化学还原法、热还原法、电化学还原法等. 化学还原法中常用的还原剂有硼氢化钠、肼等, 化学还原法可有效地将石墨烯氧化物还原成石墨烯, 除去碳层间的各种含氧基团, 但得到的石墨烯易产生缺陷, 因而其导电性能达不到理论值. 除化学还原外, 也可通过电化学方法将石墨氧化物还原成石墨烯, 将涂覆有石墨氧化物片的基底(如石英)置于磷酸盐缓冲溶液中(pH=4.12), 将工作电极(玻碳电极)直接与7 μm 厚的石墨氧化物片膜接触, 控制扫描电位从-0.6 至-1.2 V 进行线性伏安扫描, 即可将石墨氧化物还原成石墨烯, 该方法所得到的石墨烯中C 和O 的原子比为4.23%, 低于化学还原法制得的石墨烯中C 和O 的原子比(约为7.09%).热还原法是在N2 或Ar气气氛中对石墨氧化物进行快速高温热处理, 一般温度约为1000 ℃,升温速率大于2000 ℃·min-1, 使石墨氧化物迅速膨胀而发生剥离, 同时可使部分含氧基团热解生成CO2, 从而得到石墨烯. 该方法制备的石墨烯中的C和O 的比一般约为10, 高于用化学还原法制备的石墨烯中C 和O 的比.除上述方法外, 还可通过在光催化剂TiO2 的存在下紫外光照射还原以及N2 气氛下氙气灯的快速闪光光热还原石墨氧化物得到石墨烯.附：1．1原料天然鳞片石墨(。