graphene

graphene目前中文文獻中一般稱石墨烯，是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結構。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米，把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭髮絲那么厚。

石墨烯的結構

石墨烯和石墨一樣屬於複式六角晶格，在二維平面上每個碳原子以sp2雜化軌道相銜接，也就是每個碳原子與最近鄰的三個碳原子間形成三個σ 鍵。剩餘的一個p電子軌道垂直於石墨烯平面，與周圍原子形成π鍵，碳原子間相互圍成正六邊形平面蜂窩形結構，這樣在同一原子面上只有兩種空間位置相異的原子。

石墨烯的性質和套用

石墨烯的一個最重要的性質是電子運輸特性，石墨烯表現出了異常的整數量子霍爾效應。其霍爾電導為量子電導的奇數倍，且可以在室溫觀測到[1-3]。這一現象可以用來證明相對論的量子力學的觀點，也就是說石墨烯的電子屬於Dirac方程適用範圍的電子。

石墨烯被認為在電晶體方面具有廣泛的套用前景———它裡面的電子可以不通過散射而進行亞微細距離移動。這種特性對於製造需要快速轉換信號的電晶體非常重要。這種新膜片可以大幅提高計算機的速度。這一套用前景目前已經被證實。

曼徹斯特大學物理與天文學系的Kostya Novoselov博士及Andre Geim教授在2007年3月份一期的《科學》雜誌上報告他們的發現，證明石墨烯（graphene）能被雕刻成具有單個電晶體的微小電路，其尺寸比一個分子大不了多少。研究者說它們的電晶體尺寸愈小，它們的效能愈棒。根據摩爾定律，電晶體數目約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。但是目前這種速度已明顯降低，問題在於，若材料尺寸小於10納米，它的穩定性就很差，半導體會氧化。石墨烯是當前物理與材料科學中最熱門的主題，曼徹斯特大學研究團隊證明，用單一一片石墨烯刻畫出的納米大小的電晶體依然具備高度地穩定性與導電性——甚至在切成1納米寬時亦然。哈佛大學教授Bob Westervelt評論道，“石墨烯是一種令人興奮的新材料，具有非同尋常的屬性。未來會十分有趣。”

此外，石墨烯還能加快新藥研發的速度；幫助研究者用電子顯微鏡分析分子時獲得更加清晰的分子結構圖像，用作精細的篩子，分離氣體的不同組成成分等。

石墨烯的發現及研究進展

石墨烯是2004年由曼徹斯特大學Kostya Novoselov和Andre Geim小組發現的，他們使用的是一種被稱為機械微應力技術（micromechanical cleavage）的簡單方法。正是這種簡單的方法製備出來的簡單物質——石墨烯推翻了科學界的一個長久以來的錯誤認識——熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限的溫度下存在。現在石墨烯這種二維晶體不僅可以在室溫存在，而且十分穩定的存在於通常的環境下。

目前對石墨烯的研究可分為兩大方向：基礎理論研究和套用方面的研究。在基礎研究方面有些報導稱石墨烯的穩定存在可以歸因於微結構中的結構起伏，但這種認識仍舊確乏證據。而使石墨烯有可能被套用到下一代電晶體的特性——量子霍爾效應已經被Kim小組證實 。還有些研究集中於對石墨烯的鑑別研究上，在這方面主要有直觀的AFM研究和無損傷的拉曼光譜研究，還有一種方法就是利用理論研究中非傳統的量子霍爾效應，從而區分單層石墨烯（monolayer graphene）和少數層的石墨烯（bilayer graphene），但這種方法不是可行和有效率的方法。另有一種可行方法就是所謂的“肉眼觀察法”鑑定石墨烯層，但這種方法又因為實驗室條件不同而難以定量的從顏色上區分確定石墨烯，只能憑藉有經驗的試驗者。

台北時間10月5日下午5點45分，2010年諾貝爾物理學獎揭曉，英國曼徹斯特大學2位科學家Andre Geim和Konstantin Novoselov因在二維空間材料石墨烯方面的突破性實驗而獲獎。

石墨烯的製備

石墨烯的合成方法主要有兩種：機械方法和化學方法。機械方法包括微機械分離法、取向附生法和加熱SiC的方法 ； 化學方法是化學分散法。

微機械分離法

最普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。2004年Novoselovt等用這種方法製備出了單層石墨烯，並可以在外界環境下穩定存在。典型製備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進行摩擦，體相石墨的表面會產生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。

但缺點是此法是利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地製造長度足供套用的石墨薄片樣本。

取向附生法—晶膜生長

取向附生法是利用生長基質原子結構“種”出石墨烯，首先讓碳原子在 1 1 5 0 ℃下滲入釕，然後冷卻，冷卻到850℃後,之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子“ 孤島” 布滿了整個基質表面，最終它們可長成完整的一層石 墨烯。第一層覆蓋 8 0 %後，第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產生強烈的互動作用，而第二層後就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現令人滿意。

但採用這種方法生產的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質之間的黏合會影 響碳層的特性，另外Peter W.Sutter 等使用的基質是稀有金屬釕。

加熱 SiC法

該法是通過加熱單晶6H-SiC脫除Si，在單晶(0001) 面上分解出石墨烯片層。具體過程是：將經氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除後，將樣品加熱使之溫度升高至1250~1450℃後恆溫1min~20min，從而形成極薄的石墨層，經過幾年的探索，Berger等人已經能可控地製備出單層或是多層石墨烯。

其厚度由加熱溫度決定，製備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。

一條以商品化碳化矽顆粒為原料，通過高溫裂解規模製備高品質無支持（Free standing）石墨烯材料的新途徑。通過對原料碳化矽粒子、裂解溫度、速率以及氣氛的控制，可以實現對石墨烯結構和尺寸的調控，這是一種非常新穎、對實現石墨烯的實際套用非常重要的製備方法。

化學分散法

化學分散法是將氧化石墨與水以1 mg/mL的 比例混合， 用超音波振盪至溶液清晰無顆粒狀物質，加入適量肼在1 0 0℃回流2 4 h ，產生黑色顆粒狀沉澱，過濾、烘乾即得石墨烯。Sasha Stankovich 等利用化學分散法製得厚度為1 nm左右的石墨烯。