石墨烯的研究进展..docx

石墨烯的研究进展刘乐浩，李铁虎，赵廷凯，王大为(西北工业大学材料科学与工程学院，西安710072)摘要石墨烯是碳的又一同素异形体，具有独特的二维结构和优异的力学、电学、光学、热学等性能，成为富勒 烯和碳纳米管之后的又一研究热点。全面综述了近几年来石墨烯的制备方法，洋细讨论了微机械剥离法、化学剥离 法、化学合成法、外延生长法、电弧法、化学气相沉积法的优缺点，并针对制备方法存在的产量低、结构不稳定、高污染 等问题，提出了一些大规模可控制备高质量石墨烯的建议。还结合石墨烯的结构和特性，概括了石墨烯在复合材料、 微电子、光学、能源、生物医学等领域的应用进展，并展望了其主要研究方向和发展趋势。关键词石墨烯制备方法应用中图分类号：〇613. 71文献标识码：Research Progress on GrapheneLIU Lehao，LI Tiehu，ZHAO Tingkai，WANG Dawei(School of Materials Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi，an 710072)Abstract As an allotrope of carbon，graphene has become a research hotspot due to its unique two-dimensional structure and excellent mechanical，electrical，optical and thermal properties. Synthesis of graphene via different approaches ，such as micro mechanical stripping，chemical stripping，chemical synthesis，epitaxial growth， arc dis- charge，and chemical vapor deposition， are discussed in detail，and strategies for producing homogeneous graphene with improved yield and structural stability while limiting its pollution are proposed. Also application progress of gre- phene in polymer composites，micro electronics，optics，energy and biomedicine are summarized，and the main research direction and development trend are imagined.Key words graphene，preparation methods，applicationo引言富勒烯[1]和碳纳米管[2]已经成为碳材料研究的热点，而 在2004年，Geim等[3]又发现了碳的又一同素异形体——石 墨烯（Graphene)。石墨烯是由sp2轨道杂化的碳原子按正六 边形紧密排列成蜂窝状晶格的单层二维平面结构。然而在 20世纪30年代，Peierls和Landau认为由于热力学不稳定性 而不可能存在这种二维晶体[，]。1966 年Wagner 等[6]提出 Mermin-Wagner理论，并证明不可能存在二维晶体材料。石 墨烯可以卷曲成零维的富勒烯、一维的碳纳米管[7，]，并堆积 成三维的石墨，它们共同组成了一个完整的碳系家族。石墨烯中各碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械 力时，碳原子面就会弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适 应外力而保持晶体结构稳定。这种结构使得石墨烯具有很 高的热导率（5000W ? m-1 ? K—1)[9]和很大的杨氏模量 (1.0TPa)[1°]。石墨烯的理论比表面积高达2600m2/g[u]。此 外石墨烯还具有很高的光透射率（97. 7%)。石墨烯最大的 特性是其电子运动速度达到光速的1/300，室温下的电子迁 移率达15000cm2/(V* s)[12]，是目前已知材料中电子传导速 率最快的。石墨烯具有特殊的二维结构，使其具有室温量子 隧道效应[13]、反常量子霍尔效应[12，14，15]、双极性电场效应[16]等一系列独特的电学性质。石墨烯引起了人们的普遍关 注[17—2°]，成为继富勒烯、碳纳米管之后的又一研究热点。近 几年来，全球发表的石墨烯SCI论文几乎以指数增幅增长， 并且出现了越来越多的具体研究方向[21]。由于石墨烯的发展日新月异，本文综述了石墨烯的主要 制备方