摘要： 新材料新工艺技术是研制开发新型元器件和新型装备的物质基础和保障条件。一种新材料的问世往往在科技史和社会发展中具有划时代的意义，或能牵动整个技术或产业链的启动或飞速发展。本文介绍新型电子材料石墨烯的结构、特性、制备工艺和应用前景。
1 引言
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，其命名来自英语的graphite（石墨）+-ene（烯类词尾）。
石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成的六角形呈蜂窝晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料（见图1）。在2004年，英国曼彻斯特大学两位物理学家在实验室成功地从石墨中分离出石墨烯之前。人们一直认为石墨烯是假设性结构，无法稳定地存在。此两位物理学家因发现石墨烯可以单独存在而荣获2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯是目前世界上最薄同时又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；其导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石；常温下其电子迁移率超过15000cm2/v·s（光速的1/300），也比纳米碳管或硅晶体高；其电阻率约为10~6Ω·cm，比铜或铜还低，是目前世界上电阻率最小的材料；因为其电阻率极低，电子迁移的速度极快。故被期待用来开发出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管；由于石墨烯几乎是透明的、良好的导体，也适合制造透明的触控屏幕、光板及太阳能电池。
石墨烯能够在常温下观察到量子霍尔效应；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，其结构非常稳定，碳碳键(Carbon-Carbon bond)仅为1.42 Aring；石墨烯内部碳原子间的连接很柔韧，在受到外部压力时，碳原子面会弯曲变形，碳原子不必重新排列即可适应外力，从而保持结构稳定，这种稳定结构使其具有优良的导热性；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；因其原子间的作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，内部电子受到的干扰也非常小。
石墨烯是构成石墨、木炭、碳纳米管和富勒烯等碳同位素异形体的基本单元。完美的石墨烯是只存在六边形（等角六边形）晶格的二维结构。石墨烯卷成圆桶形可以用作碳纳米管，还可做成弹道晶体管(ballistic transistor)。2006年3月，佐治亚理工学院宣布研制成功了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了量子干涉效应以及基于此结果研制出了石墨烯为基材的电路。
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。从已知的石墨烯的特性看，它将被广泛地应用于各领域，如硅的替代品，用其制成超微型晶体管用于未来的超级计算机，使计算机获得更高的速度；可在新能源领域制成超级电容器、锂离子电池等；以石墨烯的高传导性、高比表面积，可用作电极材料；还可以用作超轻防弹衣、超薄超轻型航空航天材料等，石墨烯的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。
2 石墨烯的结构
2.1 石墨烯结构
石墨烯是由碳六元环组成的二维(2D)周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成零维(OD)的富勒烯(fullerene)，卷成一维(1D)的碳纳米管(Carbonnano-tube， CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨，因此，石墨烯是构建成其它石墨材料的基本单元，是最理想的二维纳米材料。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是被剥离的一层石墨分子（见图2）。
2.2 石墨烯与其它碳元素的区别
碳元素家族是近20年中世界各国科学家倾注了极大注意力的研究课题。三维的金刚石、二维的石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒烯等组成了完整的碳系家属。其中石墨以其特殊的片状结构是长期来人们研究的热门课题。石墨本体并不是真正意义上的二维材料，单层石墨碳原子层（即Graphene）才是准二维结构的碳材料。石墨则是由多层石墨烯片堆垛而成的，而碳纳米管则是卷成圆桶状的石墨烯。当石墨烯中存在五元环的晶格时，石墨烯片会发生翘曲，富勒烯可以看作通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的（见图3）。
3 石墨烯的特性
3.1 电子迁移
本征石墨烯是一种半金属或零带隙半导体，电子和空穴为零有效质量，二维(2D)碳单层石墨烯的电子迁移率是硅的10倍，故可以达到硅难以实现的太赫兹(THz)性能。在石墨烯发现以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在，故石墨烯的发现震撼了凝聚态物理学界。石墨烯可在常温下制备成功，可能归结于石墨烯在纳米尺寸级别的的微观扭曲。
石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔效应。其霍尔电导=2e² /h， 6e² /h， 10e² /h，…是量子电导的奇数倍，可在室温下观测到。科学家解释其为电子在石墨烯中遵守“相对论量子力学”，没有“静质量”。[#page#]
3.2 导电特性
石墨烯的结构非常稳定，迄今为止，科学家仍没有发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优良的导电性。石墨烯中的电子在轨道上移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子之间的作用力十分强大，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子所受到的干扰也非常小。
石墨烯的一个最大特点是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子（更准确地说，应称之为“载荷子—electric charge carrier”），其性质和相对论性质的中微子非常相似。
石墨烯相对呈现一些不透明度，它可以吸收大约2.3%的可见光。
3.3 机械特性
石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢材还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的研究试验表明，施加55牛顿的压力才能使1μm长的石墨烯断裂。据计算，如果将100纳米厚度的石墨烯膜做成包装袋，则它可以承受大约2吨重的物品。
3.4 电子的相互作用
美国加州大学等一些科学家利用世界上最强大的“人造辐射源”对石墨烯进行试验，发现石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。这个“人造辐射源”是一种电子同步加速器，其X射线强度相当于医用X光机射线强度的1亿倍。
3.5 化学性质
对于石墨烯化学性质的研究，由于缺乏适用于传统化学方法的样品，所以石墨烯化学的研究仍将困难重重。至今所知道的石墨烯的化学知识是：类似石墨烯表面，可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学角度看，石墨烯的性质类似于石墨，故可利用石墨来推测石墨烯的性质。但石墨烯化学涉及其许多潜在的应用问题，所以科学家是十分关注的。
4 石墨烯的制备技术
目前，石墨烯的制备方法主要有两类：机械方法和化学方法。前者包括微机械分离法，取向附生法和加热SiC法；化学方法则有化学还原法和化学解理法。
4.1 微机械分离法
最普通的石墨烯制备方法是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年，Novoselovt等人就是这样取得单层石墨烯的，它可在自然环境下稳定存在。微机械分离法的典型做法是用另外一种材料膨化或引入有缺陷的热解石墨进行摩擦，使体相石墨的表面产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层石墨烯。其缺点是得到的石墨烯薄片难以控制尺寸，无法可靠地制成长度足以供应样本需要的尺寸。
IBM研究小组采用机械剥离法是使用胶带粘下一层石墨烯，然后将其直接转移到硅衬底上，这种方法可以提供充足的研究样品。
4.2 取向附生法——晶膜生长法
取向附生法是利用生长基质的原子结构“种”出石墨烯：首先让碳原子在1150℃的高温下渗入钌这种稀有金属的基质中，然后冷却到850℃，在此之前吸收的大量碳原子会浮到钌的表面，第一层覆盖80%后开始生长第二层，最终生长成完整的一层石墨烯。底层的石墨烯会与钌基质产生强烈的交互作用，而第二层则几乎与钌完全分离，只是弱电耦合，这样就得到了单层石墨烯。但用这种方法制备的石墨烯薄片的厚度不均匀，而且石墨烯与基质之间的粘合也会影响碳层的性能。
4.3 外延生长石墨烯——加热SiC法
有些科学家使用碳化硅衬底外延生长多层石墨烯，然后用高温去除硅原子，只留下碳。这种多层石墨烯具有单层石墨烯的性质。目前，外延生长石墨烯被认为是实现碳集成电路的唯一途径，而且科学家正在尝试用这种方法制造全碳电子器件。用这种方法制备的石墨烯层的厚度由加热温度而定，但制备大面积的具有单一均匀厚度的石墨烯比较困难。
有些科学家开发了一条以商品化的碳化硅颗粒为原料，通过高温裂解，达到规模化制备高品质无支持(Free Standing)石墨烯材料的新途径。此法通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制，可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。这种方法是一种新颖的、对实现石墨烯的实际应用有非常重要的作用。[#page#]
4.4 化学还原法、电泳沉积法
化学还原法是将氧化石墨与水以1mg/mL的比例混合，用超声波将溶液振荡至清晰无颗粒状物质，加入适量肼（jǐng，有机化合物，有剧毒），在100℃下回流24小时，产生黑色颗粒状沉淀、过滤、烘干即得到石墨烯。
Sasha stankovich等科学家采用化学分散法制备，获得了厚度达1nm的石墨烯。
中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室发明了电泳沉积法，制备出了表面均匀密致且含有半富边界突起的单层石墨烯薄膜。这种薄膜与基体有良好的接触。
4.5 在铜箔上生长大面积石墨烯薄膜
美国德克萨斯大学于2009年5月在《科学》杂志上发表其研究成果称：以甲烷和氢为原料，采用CVD法在铜箔上生长出大面积石墨烯薄膜，薄膜尺寸在平方厘米量级。该薄膜面积的95%以上是一个碳原子层石墨烯，其余5%的面积上是两层或三层石墨烯。这项成果表明，以300mm硅片为衬底生长高质量的石墨烯是可行的办法。
4.6 化学解理法
化学解理法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯的技术。氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应，迅速放出气体，使得氧化石墨层被还原的同时解理开，得到石墨烯。这是制备石墨烯的一种重要方法，天津大学杨全红等人用低温化学解理氧化石墨的方法制备出了高质量的石墨烯。
5 石墨烯器件的研究进展与成果
5.1 尺度最小的石墨烯晶体管
2008年4月，英国曼彻斯特大学成功研制出了厚度为1个原子，截面积为10个原子的尺寸最小的石墨烯晶体管。同时该校同一研究小组于2007年创造的石墨烯晶体管的截面积为100nm。
2011年4月7日，IBM公司向媒体展示了其研制的最快石墨烯晶体管，其每秒能执行1550亿次循环操作，比之前试验用的晶体管快50%。IBM新的石墨烯晶体管的截止频率为155GHz，而且功能更强、成本较低，为石墨烯芯片的商品化生产提供了方向，从而将用于无线通信、网络、雷达和影像等多个领域。这种晶体管目前尚不能用于PC机，因为自然石墨烯中缺少能隙，石墨烯晶体管不具备数码切换操作所需要的开闭比，因此在处理离散数码信号方面不如传统的处理器。相比之下，石墨烯的连续能隙流使得它处理模拟信号的能力更强，其温度稳定性也更好。利用石墨烯晶体管可组成微细电路。
5.2 信噪比提升10倍的双层石墨烯
2008年6月，IBM T. J. Watson研究中心的科学家发现，相对于单层石墨烯，双层石墨烯可以更有效地抑制噪声，双层的石墨烯可将信噪比提升10倍。
5.3 石墨烯射频场效应管(RF FET)问世
2008年12月，加州休斯研究实验室开发出一种由石墨烯RF场效应管组成的碳基集成电路，这是RF碳电子应用项目的一部分，目的是将石墨烯器件用于宽带通信、成像和雷达系统。
5.4 速度最快的石墨烯FET
2008年12月，IBM研究中心宣布研制出了速度最快的石墨烯场效应晶体管，其最高截止频率和栅极长度的平方成反比，在栅极长度为150纳米时的截止频率达到26GHz。该成果旨在发展毫米波通信技术。使用8英寸以上晶圆制成的石墨烯薄膜晶体管的电子迁移率是硅晶体管的100倍以上，可制成工作在100GH以上频率的W波段低噪音放大器。
5.5 2011年石墨烯的研究成果
2009年12月1日在美国召开的材料科学国际会议上，日本富士通研究所宣布，他们用石墨烯制作出了几千个晶体管。其方法是将原料气体吹向事先涂有作为催化剂的铁衬底，在该衬底上制成大面积的石墨烯薄膜。
2009年11月，日本东北大学与会津大学合作研究发现，石墨烯可产生太赫兹光的电磁波。他们将红外线照射到以硅衬底制作的石墨烯薄膜上，只需很短时间就能放射出太赫兹光，用这项成果可开发出高性能的激光器。[#page#]
2010年，美国莱斯大学利用石墨烯量子点，制作了单分子传感器。他们将石墨烯薄片与单层氦键合，形成石墨烷，石墨烷是绝缘体。也就是说，氦使石墨烯由导体变换成为绝缘体。科学家移除石墨烯薄片两面的氦原子岛，就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱。该导电的石墨烯阱就可作为量子阱。这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或纳米级电路等。
2011年6月2日在英国《自然》杂志上发表的一篇论文称：全球最小的光学调制器问世。这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备高速信号传输能力，有望使互联网速度提高一万倍，可在1秒钟内下载一部高清电影。这种石墨烯光学调制器的成本优势也很突出，目前，传统光学调制器的市场价是5250美元，而石墨烯调制器的价位是几美元。
低成本石墨烯电池——一种利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性开发的新型储能设备，已由美国俄亥俄州的Nanotek公司研制出来，这种电池可望一分钟充电，这或将给电动汽车产业带来新的变革。
2011年1月8日，我国江南石墨烯研究院对外发布，全球首款手机用石墨烯电容触摸屏在常州研制成功。这种电容屏传感器的整个触摸区域可以识别单指和双指触摸及进行画线动作，实现图片单指手势左右拖动及双指手势放大和旋转。
6 石墨烯及其器件的应用前景
a. 在纳米电子器件方面的应用
2005年，科学家发现，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10am/v.s)，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表面出室温亚微米尺度的弹道传输特性（300K下可达0.3m），这是石墨烯作为纳米电子器件最突出的优势。石墨烯的较大费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件的开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的又一显著优势。此外，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环尺度可同样保持很好的稳定性和电学性能，这使得探索单电子器件成为可能。
b. 代替硅生产超级计算机
以上提到，石墨烯是目前已知的导电性能最出色的材料。这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子技术的领头羊，一些电子设备例如手机，由于设计师们将越来越多的信号填充到手机信号中，因此手机被要求使用越来越高的频率。然而，设备的使用频率越高，其热量越高，这使提高设备的工作频率受到限制。石墨烯的应用可以使高频提升的前景更加广泛，使石墨烯器件在微电子领域的应用潜力巨大。科学家甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。
c. 光子传感器
光子传感器用于检测光纤中携带的信息，目前，这项任务由硅担当。去年10月，IBM的一个研究小组披露了他们研制的石墨烯光电探测器。正在研发的项目是太阳能电池和液晶显示屏等石墨烯产品了，因为石墨烯是透明的，用它制造的电极比其它材料更具优良的透光性。
d. 基因电子测序
由于良导体石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有望实现直接的、快速的、低成本的基因电子测序技术。
e. 减小噪音
IBM宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯”，试制成功了新型晶体管，通过在二层石墨烯之间生成有强电子结合，从而有效抑制了噪音。
f. 其它应用
石墨烯除了可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序、光子探测等领域外，还有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。我国科研人员发现：细菌细胞在石墨烯上无法生长，而人类细胞则不会受损。利用这一特性，石墨烯可用作医用绷带、食品包装和抗菌T恤；还可制作光电化学电池取代基于金属的发光二极管；石墨烯可以制成纸片般薄的超轻型飞机材料，制造超坚韧的防弹衣，甚至制造科学家梦寐以求的2.3万英里长的太空电梯。同时，石墨烯射频器件可以实现超高速、超低噪声、越低功率射频电路，对通信、电子战、雷达及其它国防系统设备也必将产生重大影响。
参考文献
[1]互联网
[2]中国电子学会第十六届电子元件学术年会论文集
