浅谈石墨烯的发展与应用碳元素广泛存在于自然界，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。

自1985年富勒烯和1991年碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了碳系家族。

碳的零维、一维、三维结构材料已经被实验证实可以稳定存在的，那二维的理想石墨烯(Graphene)片层能自由存在吗？关于准二维晶体的存在性，科学界一直存在争论。

早先科学家认为，准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解或拆解，长程有序结构在无限的二维体系中无法维持。

但单层Graphene作为研究碳纳米管的理论模型得到了广泛的关注。

直到2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim等用一种极为简单的方法剥离并观测到了自由且稳定存在的单层Graphene，掀起了一场关于Graphene理论与实验的研究新热潮。

Graphene 是材料科学和凝聚态物理学领域的一颗迅速上升的新星。

尽管一般的材料要等到商业产品的出现，其应用价值才能被肯定，但是Graphene在基础科学中的重要性却无需更多的证明。

虽然Graphene走过的历史很短，但是这种严格的二维材料具有特殊的晶体学和电学性质，并且在应用方面有可预见的价值。

一、Graphene的结构Graphene是由碳原子六角结构（蜂窝状）紧密排列的二维单层石墨层。

每个碳原子通过σ键与其它三个碳原子连接，由于每个碳原子有四个价电子，所以每个碳原子又会贡献出一个未成键的π电子。

这些π电子在晶体中自由移动赋予了Graphene良好的导电性。

同时，Graphene还可以包成0维富勒烯，卷成1维碳纳米管，叠成3维石墨，它是众多碳质材料的基元，如果对Graphene有更深入的了解，就有可能依照人们的意愿定向制备某种需要的碳质材料。

在此有一点需要说明，Graphene层并不是完全平整的，它具有物质微观状态下固有的粗糙性，表面会出现起伏如波浪一般。

这种褶皱会自发的产生并且最大厚度可达到0.8nm，也有一种观点认为褶皱是由于衬底与Graphene相互作用导致的，具体原因还在进一步研究中。

在回顾关于Graphene早先的工作之前，定义什么是2维晶体是很有用的。

很显然，单原子薄层是2维晶体，100个单原子层的叠加可以认为是一个薄的3维材料。

但是具体多少层才算是3维材料？对于Graphene，这个问题变得比较明朗。

众所周知，电子结构随着层数的变化而迅速演变，10层的厚度就可以达到3维石墨的限制要求。

在很好的近似下，单层和双层Graphene都有简单的电子光谱：它们都是具有一种电子和一种空穴的零带隙的半导体（亦即零交叠半金属）。

对于三及三以上数目的薄层，光谱将变得复杂：许多电荷载体出现，导带和价带也明显的交叠。

这一条件就将Graphene区分成三类：单、双、多（3到<10）层Graphene，更厚的结构可以被认为是薄层的石墨。

二、Graphene的性质虽然有很多新的2维材料，但是目前几乎所有的试验和理论的成果都集中在Graphene上，而忽略了其它2维晶体的存在。

对Graphene的这种偏爱是否公平仍值得商榷，但是产生这种现象的主要原因却十分明显：被分离的Graphene 晶体有卓越的特性。

Graphene 的能带结构和布里渊区是价带和导带在费米能级的六个顶点上相交。

从这个意义上说，Graphene 是一种没有能隙的物质，显示金属性。

Graphene 在双极性电场效应中有突出的性质，电荷载体可以在n 值高达10¹³/cm ²的条件下在电荷与空穴之间转换，并且它们的迁移率µ可以超过15,000cm ²/Vs 。

还有，迁移率与温度的关系很小，在300K 条件下µ还一直被杂质散射所限制，因此µ也可以被显著的提高，甚至高到约100,000cm ²/Vs 。

虽然有些半导体材料（如InSb ）的室温µ值可以达到77,000cm ²/Vs ，但这些值都取自体材料本征半导体。

在Graphene 中，对于电学和化学参杂的器件，在n 很高的情况下（n>10¹²/cm ²）µ仍保持了很高的值,这就转化成为亚微米量级（在300K 时约0.3µm）的弹道输运。

对Graphene 充满兴趣的另一个同等重要的原因是它电荷载体的独特性质。

在凝聚态物理学中，薛定谔方程控制一切，它足以描述材料的电子特性。

Graphene 却是一个例外：它的电荷载体更相似于相对论的微粒，并且狄拉克方程比薛定谔方程描述电荷载体更简单更自然。

虽然电子在碳原子周围移动并不是相对论的范畴，但是在Graphene 蜂窝格子结构的周期势影响下，电子与碳原子的相互作用引发了新的准粒子，这个准粒子具有很低的能量E 并且可以被具有有效光速610F m s μ≈的2+1维狄拉克方程准确的描述。

这个准粒子被称为无质量的狄拉克费密子，它可以看成是失去静止质量m 。

的电子，或具有电子电荷e 的中微子。

Graphene 的实验发现为我们提供了通过测量其电子特性来探寻量子电动力学现象的方法。

在分析Graphene 的量子电动力学性质的时候，需要引入“手性”这个新的参量。

Graphene 的手性表明了一个事实，就是具有正k 的电子和具有负k 的空穴的状态与Graphene 具有相同的碳亚晶格有复杂的联系。

另外，E 为零附近（能带相交的地方）的电子态是由不同的亚晶格状态组成的，并且亚晶格之间的关系对准粒子构成的贡献也要被考虑到。

这就要求用一个指数来标记亚晶格A 和B ，就像量子电动力学中的自旋量子数（上和下）一样，这个指数被称为膺自旋，而膺自旋相关的作用几乎控制了与真正自旋相关的作用。

手性和膺自旋的概念都非常重要，因为Graphene 的许多电子过程的理解都基于这些量的存在。

另一个重要的现象就是Graphene 的零场电导率σ在n 消失的时候并没有随之消失，而是每个载体类型以接近电导率量子值e ²/h 的数值存在。

对于其他所有已知材料，低的电导率在低温下都不可避免的导致金属绝缘转变，但是这种现象在Graphene 降温到液氦温度也没有发生。

Graphene 的室温量子霍尔效应也是人们感兴趣的独特性质之一。

霍尔电导率xy σ通过中性点，走势呈不间断的等距阶梯。

在中性点处电荷载体由电荷变为空穴。

霍尔电导率中的次序N 在遵循标准量子霍尔效应的条件下被提高1/2，所以在公式24(12)xy e N σ=±+中，N 是朗道能级,指数系数4则使起伏和自旋简并度加倍。

这个量子霍尔效应被称为“半整数”来全面体现它既不是新的分数量子霍尔效应也不是标准的整数量子霍尔效应。

这种非寻常的结果可以由Graphene 在磁场B 中电子光谱的类量子电动力学量子化来解释，可由公式N E v =±描述，其中 用以区分电子和空穴。

在E为0的时候存在包含电子和空穴共同影响下的量子化能阶，这就足以解释这个异常的量子霍尔效应结果。

另一种对于半整数量子霍尔效应的解释需要结合膺自旋和轨道理论。

Graphene的室温霍尔效应使原有的霍尔效应温度范围扩大了10倍，表明了其独特的载流子特性和优异的电学质量。

三、Graphene的制备由于Graphene具有如此优异的性质以及各种领域的潜在应用价值，大规模Graphene的制备成为许多科研小组研究的方向。

目前看来，Graphene的制备方法主要有机械法、氧化石墨还原法、热分解SiC法、化学沉积生长法、外延法等。

这里我们仅对前三种方法作简单的介绍。

第一，机械法。

2004年曼彻斯特大学Geim教授用机械法从高定向热解石墨（HOPG）上最早剥离出了单层Graphene。

Geim小组在HOPG表面用氧等离子刻蚀出微槽，并用光刻胶将其转移到玻璃衬底上，随后用透镜胶带反复撕揭，HOPG 的厚度逐步降低，会有些很薄的片层留在衬底上，其中包括单层Graphene。

再将贴有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声，之后在溶液中放入单晶硅片，单层Graphene会在范德华力作用下吸附在硅片表面。

机械法在后来的发展中有所简化，比如直接用胶带从HOPG上揭下一层石墨，然后在胶带之间反复粘贴，石墨片层会越来越薄其中也会包含单层Graphene，再将胶带贴在衬底上，单层Graphene由此转移到了衬底上。

同时还有许多其他新的机械方法出现，如机械压力法、滚动摩擦法等，这里就不再一一赘述了。

机械法制备单层Graphene的最大优点在于工艺简单制作成本低，而且样品的质量高。

但是产量低，且需要从大片的厚层中寻找单层Graphene这就比较困难，同时样品所在区域会存在些许胶渍，表面清洁度不高。

第二，氧化石墨还原法。

石墨本身是疏水的，经过氧化后表层含有大量官能团，因此氧化石墨和改性氧化石墨与许多聚合物基体有很好的相容性。

所以氧化石墨经过适当的超声震荡处理后极易溶解于水或其他有机溶剂中分散成单层氧化Graphene。

氧化石墨是电绝缘的，需要经过化学还原或退火处理才可具有导电性，但是还原后的产物大多折叠成团聚物，且仍残留羧氢氧基和环氧化物集团。

将改性氧化石墨还原，研究人员制备出了大量的Graphene。

虽然经过强氧化剂完全氧化过的石墨并不一定能够完全还原，导致其一些物理、化学等性能损失、尤其是导电性，但是这种方法简便且成本较低，可以制备出大量Graphene。

第三，热分解SiC法。

热分解SiC法主要通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001)面上分解出Graphene。

制作方法是将氧离子刻蚀的6H-SiC样品置于高真空下用电子轰击加热去除氧化物，后将样品加热至1300℃左右形成极薄的石墨层，层的厚度主要由加热温度决定。

热分解SiC获得单、多层Graphene是比较受推崇的一种可行方法，有可能得到大规模发展。

但是样品的尺度和均一性仍然有待验证，并且SiC的合成需要高温1100℃以上，很可能因此提高成本。

同时，用种方法制备出来的Graphene中并没有观测到机械法制备的Graphene所表现出的量子霍尔效应，并且表面的电子性质受SiC衬底的影响很大。

现有的方法都有各自的不足，有些方法只能用于基础研究，无法实现大规模制备；有些方法虽然有可能用于大规模制备，但是成本高，与器件制作工艺不兼容。

因此，为了充分发挥该材料体系的应用前景，原有的方法需要得到完善，或者提出一种可行且能实现大规模制备的方法。

四、Graphene的表征Graphene的表征手段主要有光学显微镜（OM）、拉曼光谱（Raman）、原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）。

利用这些表征手段，我们可以得到Graphene片层的大小、层数、边缘形貌（zigzag边缘或armchair边缘）等信息。