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　　石墨烯 石墨烯的发明　　2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim)等制备出了石墨烯。海姆

　　和他的同事偶然中发明了一种简略易行的新道路。他们强行将石墨分别成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特别的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断反复这一进程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。 石墨烯构造　　石墨烯的问世引起了全世界的研讨高潮。它不仅是已知资料中Zui薄的一种，还非常坚固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯在原子标准上构造非常特别，必需用相对论量子物理学(relativistic quantum physics)才干刻画。

　　　　石墨烯结构非常稳固，迄今为止，研讨者仍未发明石墨烯中有碳原子缺失的情形。石墨烯中各碳原子之间的衔接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就曲折变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就坚持了结构稳固。

　　　　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中移动时，不会因晶格缺点或引入外来原子而产生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使四周碳原子产生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。 石墨烯特性　　石墨烯Zui大的特征是其中电子的活动速度到达了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的活动速度。这使得石墨烯中的电子，或更正确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常类似。

　　　　为了进一步阐明石墨烯中的载荷子的特别性质，我们先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些懂得。

　　　　经典物理学中，一个能量较低的电子碰到势垒的时候，假如能量不足以让它爬升到势垒的顶端，那它就只能待在这一侧；在量子力学中，电子在某种水平上是可以看作是散布在空间各处的波。当它碰到势垒的时候，有可能以某种方法穿透过往，这种可能性是零到一之间的一个数；而当石墨烯中电子波以极快的速度活动到势垒前时，就须要用量子电动力学来说明。量子电动力学作出了一个更加令人吃惊的预言：电子波能百分百地呈现在势垒的另一侧。

　　　　以下试验证实了量子电动力学的预言：事先在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。一般以为，增添了额外的势垒，电阻也会随之增长，但事实并非如此，由于所有的粒子都产生了量子隧道效应，通过率达100%。这也说明了石墨烯的超强导电性：相对论性的载荷子可以在其中完整自由地穿行。

　　　　另外，研究也发现，尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度：可以接收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。美国哥伦比亚大学两名华裔科学家Zui近发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上Zui好的钢铁还要高上１００倍。这种物质为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门，让科学家梦寐以求的２．３万英里长（约合３７０００千米）太空电梯可能成为现实。 中国科学家发现Zui硬物质　　谁也不会想到，铅笔中竟然包括着地球上强度Zui高的物质！

　　　　法国天子拿破仑曾经说过：“笔比剑更有威力”，然而他在200年前说这话的时候尽对不会想到，人类应用的普通铅笔中竟然包括着地球上强度Zui高的物质！美国哥伦比亚大学两名华裔科学家Zui近研究发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，比钻石还坚硬，强度比世界上Zui好的钢铁还要高上100倍。 发现者是两华裔科学家　　人们熟习的铅笔是由石墨制成的，而石墨则是由无数只有碳原子厚度的“石墨烯”薄片压叠形成，石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。自从2004年石墨烯被发现以来，有关的科学研究就从未间断过。然而直到Zui近，美国科学家才首次证实了人们久长以来的猜忌，石墨烯竟是目前世界上已知的强度Zui高的材料！

　　　　据悉，这一惊人的科学发现是由美国哥伦比亚大学的两名华裔科学家李成古和魏小丁（音译）一起研究得出的，而李成古研究“石墨烯”强度的重要工具之一，竟是普通的透明胶带！李成古向记者解释他们的“低科技”研究方法说：“为了懂得石墨烯的强度，我们首先必需从石墨上剥离出一些石墨烯薄片，于是我们想到了透明胶带。”科学家先将胶带粘在一块石墨上，然后再撕下来，接着科学家又将胶带粘到了一块面积只有1平方英寸的硅片上，然后再将胶带从硅片上撕下来，这时数千小片石墨都粘到了硅片上。 比钻石还要坚硬　　硅片上有数千个肉眼看不见的小孔。科学家开端采用高科技手腕，将硅片放置在电子显微镜下进行察看，科学家破费数天时光，盼望能在硅片小孔上发现适合的单原子厚的石墨烯薄片。

　　　　一旦科学家发现了一些只有100分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后，他们就开端应用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上Zui好的钢铁还高100倍！

　　　　美国机械工程师杰弗雷·基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：假如将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片笼罩在一只杯子上，然后试图用一支铅笔揭穿它，那么须要一头大象站在铅笔上，才干揭穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。 可做“太空电梯”缆线　　据科学家称，地球上很轻易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知的强度Zui高的物质，它将拥有众多令人向往的发展远景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究职员称，“太空电梯”的Zui大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度Zui高的物质“石墨烯”完全合适用来制造太空电梯缆线！

　　　　人类通过“太空电梯”进进太空，所花的本钱将比通过分箭升进太空廉价很多。为了鼓励科学家发现出制作太空电梯缆线的坚韧材料，美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。 取代硅生产Chao级盘算机　　不过据科学家称，尽管石墨在大自然中非常广泛，并且石墨烯是人类已知强度Zui高的物质，但科学家可能仍然须要破费数年甚至几十年时光，才干找到一种将石墨改变成大片高质量石墨烯“薄膜”的方式，从而可以用它们来为人类制造各种有用的物资。

　　　　据科学家称，石墨烯除了异常坚固外，还具有一系列唯一无二的特征，石墨烯还是目前已知导电性能Zui杰出的资料，这使它在微电子范畴也具有宏大的利用潜力。研讨职员甚至将石墨烯看作是硅的替换品，能用来生产未来的Chao级盘算机。

　　　　这种物资不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机资料、制作出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。 石墨烯的制备方式　　

　　石墨烯的合成方法重要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包含微机械分别法、取向附生法和加热SiC的方法 ； 化学方法是化学疏散法。 微机械分离法　　Zui普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳固存在。典范制备方法是用另外一种材料膨化或者引进缺点的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。

　　　　但毛病是此法是应用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易把持，无法可靠地制作长度足供给用的石墨薄片样本。 取向附生法—晶膜生长　　取向附生法是应用生长基质原子构造“种”出石墨烯，首先让碳原子在 1 1 5 0 ℃下渗透钌，然后冷却，冷却到850℃后,之前接收的大批碳原子就会浮到钌表面，镜片外形的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了全部基质表面，终极它们可长成完全的一层石 墨烯。第一层笼罩 8 0 ％后，第二层开端生长。底层的石墨烯会与钌发生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完整分别，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表示令人满足。

　　　　但采取这种办法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影 响碳层的特征。另外Peter W.Sutter 等应用的基质是稀有金属钌。 加热 SiC法　　该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。具体进程是：将经氧气或氢气刻蚀处置得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除往氧化物。用俄歇电子能谱断定表面的氧化物完整被移除后，将样品加热使之温度升高至1250~1450℃后恒温1min~20min，从而形成极薄的石墨层，经过几年的摸索，Berger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。

　　　　其厚度由加热温度决议，制备大面积具有单一厚度的石墨烯比拟艰苦。

　　　　一条以商品化碳化硅颗粒为原料，通过高温裂解范围制备高品德无支撑（Free standing）石墨烯材料的新道路。通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及氛围的把持，可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。这是一种非常新鲜、对实现石墨烯的实际利用非常主要的制备方式。 化学分散法　　化学疏散法是将氧化石墨与水以1 mg/mL的 比例混杂， 用超声波振荡至溶液清楚无颗粒状物质，参加适量肼在1 0 0℃回流2 4 h ，发生玄色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。Sasha Stankovich 等应用化学疏散法制得厚度为1 nm左右的石墨烯。 石墨烯的表征办法　　石墨烯的表征办法： 原子力显微镜、 光学显微镜、 Raman光谱、XRD 原子力显微镜（AFM）　　由于单层石墨烯厚度只有0.335nm，在扫描电镜（SEM）中很难察看到，原子力显微镜是断定石墨烯结构Zui直接的措施。 光学显微镜　　单层石墨烯附着在表面笼罩着必定厚度（300nm）的SiO2层Si晶片上，可以在光学显微镜下观测到。这是由于单层石墨层和衬底对光线发生的干预有必定得对照度。受空气-石墨层-SiO2层间的界面影响。 Raman光谱　　Roman光谱的外形、宽度和地位与其测试的物体层数有关，为丈量石墨烯层数供给了一个高效力、无损坏的表征手腕。

　　　　石墨烯和石墨本体一样在1580cm ( G峰) 和2700cm (2峰) 2个地位有比拟显明的吸收峰，相比石墨本体，石墨烯在1580 cm处的接收峰强度较低，而在2700 cm 处的吸收峰强度较高， 并且不同层数的石墨烯在2700 cm 处的吸收峰地位略有移动。 石墨烯—转变世界的新材料　　我们每个人都有使用铅笔的阅历，但几乎没有人意识到当我们用铅笔在纸上留下字迹的同时也不知不觉地制造出了很有可能在不久的将来转变人类生涯的新材料。这种目前在科学界Zui热点的材料就是石墨烯。顾名思义，石墨烯与石墨有紧密的接洽。我们知道，石墨是一类层状的材料，它是由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于层间的作用力较弱，因此石墨层间很轻易互相剥离，形成薄的石墨片，这也正是铅笔能在纸上留下痕迹的原因。这样的剥离存在一个Zui小的极限，那就是单层的剥离，即形成厚度只有一个碳原子的单层石墨，这就是石墨烯。但久长以来，科学家们从理论上一直以为这种纯洁的二维晶体材料是无法稳定存在的，一些试图制备石墨烯的工作也均以失败而告终。直到2004年，英国曼彻斯特大学的A. Geim教授及其合作职员凭借极大的耐烦与一点点运气终于如大海捞针般首次发现了石墨烯。他们采用的手腕与铅笔写字有异曲同工之妙，即通过透明胶带对石墨进行重复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐减小，终极通过显微镜在大批的薄片中寻找到了理论厚度只有0.34纳米（约为头发直径的二十万分之一）的石墨烯。这一发现在科学界引起了宏大的轰动，不仅是由于它打破了二维晶体无法真实存在的理论预言，更为主要的是石墨烯的涌现带来了众多出乎人们意料的新独特性，使它成为继富勒烯和碳纳米管后又一个里程碑式的新材料。而Geim教授也凭借这一发现获得了2008年诺贝尔物理学奖的提名。

　　　　石墨烯这一目前世界上Zui薄的物资首先让凝集态物理学家们惊喜不已。由于碳原子间的作用力很强，因此即使经过多次的剥离，石墨烯的晶体结构依然相当完全，这就保证了电子能在石墨烯平面上畅通无阻的迁移，其迁移速率为传统半导体硅材料的数十至上百倍。这一上风使得石墨烯很有可能代替硅成为下一代超高频率晶体管的基本材料而普遍运用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。目前科学家们已经研制出了石墨烯晶体管的原型，并且乐观地预计不久就会呈现全由石墨烯构成的全碳电路并普遍利用于人们的日常生涯中。此外，二维石墨烯材料中的电子行动与三维材料截然不同，无法用传统的量子力学加以说明，而必需应用更为庞杂的相对论量子力学来阐释。因此石墨烯为相对论量子力学的研究供给了很好的平台，而在这之前科学家们只能在高能宇宙射线或高能加速器中对该理论进行验证，如今终于可以在普通环境下轻松开展研究了。

　　　　石墨烯还具有超高的强度，碳原子间的强盛作用力使其成为目前已知的力学强度Zui高的材料，并有可能作为添加剂普遍运用于新型高强度复合材料之中。石墨烯良好的导电性及其对光的高透过性又让它在透明导电薄膜的应用中独具上风，而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等范畴至关主要。另外，石墨烯在高敏锐度传感器和高性能储能器件方面也已经展现出诱人的运用远景。可以说，石墨烯的呈现不仅给科学家们供给了一个布满魅力与无穷可能的研究对象，更让我们对其充斥了等待，也许在不久的将来，石墨烯就会为我们搭建起更加便捷与美妙的生涯。

　　　　看了以上的先容，假如你对石墨烯产生了兴致的话，不妨也可以尝试着DIY一下。实在很简略，只要你一点石墨、有一卷胶带和一台显微镜就可以了，当然还要加上足够的耐烦。好了，现在你就可以像Geim教授一样开始在科学世界中的摸索了。


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