　　石墨烯的结构非常稳定，石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，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。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。

　　石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。

　　2004年，英国曼彻斯特大学物理学教授Geim等，用特殊的胶带反复剥离高定向热解石墨的方法，得到了稳定存在的石墨烯。石墨烯的发现者Geim教授和Novoselov博士也因此被授予2010年度诺贝尔物理学奖。

　　二：重要性质

　　1.石墨烯的能带结构

　　在发现石墨烯以前，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。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观皱纹。

　　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.... 为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。

　　2.原子结构

　　悬挂于金属网栅上方，隔离的单层石墨烯平片，可以用穿透式电子显微镜观测，显示出的石墨烯平片皱纹，其波幅大约为一纳米。这些皱纹可能是内禀的，因为二维晶体不稳定性而产生的现象;也可能是外来的，源自于所有穿透式电子显微镜图像里，都可以观察得到的无所不在的污尘。隔离的单层石墨烯贴附在氧化硅基板上方，其原子分辨率的真实空间图像，可以用扫描隧道显微镜观测得到。经过光刻术处理后的石墨烯会被光阻剂渣滓覆盖，必须清洗除去这些渣滓，才能得到原子分辨率图像。这些渣滓可能是穿透式电子显微镜所观测到的吸附物，可能是造成皱纹的因素。贴附在氧化硅表面上的石墨烯所显示出的皱纹，是因为石墨烯会遵照氧化硅表面的样式，所以不是内禀效应。

　　3.电子性质

　　石墨烯的性质与大多数常见的三维物质不同，纯石墨烯是一种半金属或零能隙半导体。理解石墨烯的电子结构是研究其能带结构的起始点。、

　　4.电子传输

　　电子传输测量结果显示，在室温状况，石墨烯具有惊人的高电子迁移率，其数值超过15,000 cm2V−1s−1。从测量得到的电导数据的对称性显示，空穴和电子的迁移率应该相等。在10 K和100 K之间，迁移率与温度几乎无关，可能是受限于石墨烯内部的缺陷所引发的散射。在室温和载子密度为1012 cm−2时，石墨烯的声子散射体造成的散射，将迁移率上限约束为200,000 cm2V−1s−1。与这数值对应的电阻率为10−6 Ω·cm，稍小于银的电阻率1.59 ×10−6 Ω·cm。在室温，电阻率最低的物质是银。所以，石墨烯是很优良的导体。

　　由于石墨烯的二维性质，科学家认为电荷分数化(低维物质的单独准粒子的表观电荷小于单位量子)会发生于石墨烯。因此，石墨烯可能是制造计算机所需要的任意子元件的合适材料。

　　5.光学性质

根据理论推导，石墨烯会吸收的白光;其中

是精细结构常数。一个单原子层物质不应该有这么高的不透明度，单层石墨烯的独特电子性质造成了这令人惊异的高不透明度。实验证实这结果正确无误，石墨烯的不透明度为，与光波波长无关。

　　当输入的光波强度超过阈值时，这独特的吸收性质会开始变得饱和。这种非线性光学行为称为可饱和吸收，阈值称为饱和流畅性。给予强烈的可见光或近红外线激发，因为石墨烯的整体光波吸收和零能隙性质，石墨烯很容易就可以变得饱和。石墨烯可以用于光纤雷射的锁模运作。用石墨烯制备成的可饱和吸收器能够达成全频带锁模。由于这特殊性质，在超快光子学里，石墨烯有很广泛的应用空间。

　　6.自旋传输

　　科学家认为石墨烯会是理想的自旋电子学材料，因为其自旋-轨道作用很小，而且碳元素几乎没有核磁矩。使用非局域磁阻效应，可以测量出，在室温状况，自旋注入于石墨烯薄膜的可靠性很高，并且观测到自旋相干长度超过1微米。使用电闸，可以控制自旋电流的极性。

　　7.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铁还要高上100倍。研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约100纳米)石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。

　　三：石墨烯的应用领域

　　石墨烯优异的物理、化学和机械性能，使得石墨烯成为很多领域的宠儿。下面主要介绍石墨烯的十大应用领域。

　　1.可做“太空电梯”缆线

　　据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它将拥有众多令人神往的发展前景。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。美国研究人员称，“太空电梯”的最大障碍之一，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，地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线!

　　太空电梯

　　人类通过“太空电梯”进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造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。

　　2.制做光子传感器

　　石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。去年10月，IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器如下图所示。

　　石墨烯光电感应设备的示意图和实际样品的扫描电子显微镜(SEM)照片。图中的黑色短线对应5个微米，金属线之间的距离是一个微米。

　　通过实验，研究者们发现，这种金属-石墨烯-金属结构的光电感应设备最高可以达到16GHz的工作频率，并且可以高速工作在从300纳米(近紫外)到6微米(红外)的波长范围内，而传统的光电感应管则不能对波长较长的红外光响应。石墨烯光电感应设备的工作频率还有很大的提高余地，优越的性能使得它有着广泛的包括通讯、遥控、环境监测在内的应用前景。

　　3.制做透明导电电极

　　石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等，都需要良好的透明电导电极材料。特别是，石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良。由于氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。

　　韩国三星公司和成均馆大学的研究人员利用化学气相沉积的方法获得了对角长度为30英寸的石墨烯，并将其转移到188微米厚的聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，简称PET)薄膜上，进而制造出了以石墨烯为基础的触摸屏。如下图所示，生长在铜箔上的石墨烯先和热剥离型胶带(蓝色透明部分)粘在一起，然后用化学的方法把铜箔溶解掉，最后用加热的方法把石墨烯转移到PET薄膜上去。

　　生长在铜箔上的石墨烯转移到PET薄膜的过程示意图

　　研究者们在石墨烯上适当的位置印上银电极，用银电极把材料划分成一块块3.1英寸大小的区域，然后在区域内的石墨烯上放上规则排布的绝缘点阵。这样两片对应的组装在一起就做成了弹性很好的触摸屏器件。当它同电脑上的控制软件连通时，它就能发挥触摸屏的作用了。从上到下：在石墨烯上印好的银电极把材料分成大小为3.1英寸的区域;组装好的石墨烯触摸屏面板;接到电脑上使用的石墨烯触摸屏。

　　4.制做场效应管及其集成电路

　　石墨烯可取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料，而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。

　　5.代替硅生产超级计算机

　　科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员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。

　　6.制造超级电容器

　　由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例，石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。

　　7.制造新一代太阳能电池

　　石墨烯透明导电膜对于包括中远红外线在内的所有红外线的高透明性，是转换效率非常高的新一代太阳能电池最理想材料。

　　8.石墨烯生物器件

　　由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺吋厚度、分子闸极结构等等特色，应用于细菌探测与诊断器件，石墨烯是个很优良的选择。

　　科学家希望能够发展出一种快速与便宜的快速电子DNA定序科技。它们认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。基本而言，他们想要用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞，让DNA分子游过这纳米洞。由于DNA的四个碱基(A、 C、 G、T)会对于石墨烯的电导率有不同的影响，只要测量DNA分子通过时产生的微小电压差异，就可以知道到底是哪一个碱基正在游过纳米洞。这样，就可以达成目的。

　　9.可做抗菌物质

　　中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性，则可能找到一系列新的应用，像自动除去气味的鞋子，或保存食品新鲜的包装。

关键词

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