近20年來，碳元素引起了世界各國研究人員的極大興趣。自富勒烯和碳納米管被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以后，三維的金剛石、“二維”的石墨、一維的碳納米管、零維的富勒球組成了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片層結(jié)構(gòu)一直以來是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。石墨本身并非是真正意義的二維材料，單層石墨碳原子(Graphene)才是準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)的碳材料。石墨可以看成是多層石墨烯片堆垛而成，而碳納米管可以看作是卷成圓筒狀的石墨烯。

　　一、什么是石墨烯

　　石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，它可以翹曲成0維(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán), 是目前最理想的二維納米材料。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。

　　石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1．42?。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時(shí)，碳原子面會(huì)彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小。

　　二、石墨烯的問世

　　石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。因此，兩人在2005年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅遠(yuǎn)沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會(huì)被損耗，這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性

　　三、石墨烯的應(yīng)用

　　石墨烯的應(yīng)用范圍很廣，太陽能電池、生物器件、抗菌物質(zhì)甚至未來的太空電梯都可以以石墨烯為原料。

　　石墨烯成為大幅提高“太陽能電池”轉(zhuǎn)換效率的王牌材料

　　石墨烯最能發(fā)揮威力的領(lǐng)域是有機(jī)薄膜太陽能電池領(lǐng)域。首次分離單層石墨烯的英國曼徹斯特大學(xué)研究人員康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）曾在接受《日經(jīng)電子》雜志采訪時(shí)表示“有機(jī)薄膜太陽能電池是最接近石墨烯實(shí)用化的應(yīng)用之一”。

　　在太陽能電池中使用石墨烯作為中間電極的優(yōu)點(diǎn)是透明且與半導(dǎo)體層的相容性較高。特別是中間電極材料要求同時(shí)兼具這兩個(gè)性質(zhì)。具體來說，“與（迄今普遍用做中間電極的）TiO2/PDOT相比，石墨烯電極與半導(dǎo)體層的相容性更好”

　　石墨烯生物器件

　　由于石墨烯的可修改化學(xué)功能、大接觸面積、原子尺?厚度、分子閘極結(jié)構(gòu)等等特色，應(yīng)用于細(xì)菌偵測與診斷器件，石墨烯是個(gè)很優(yōu)良的選擇�？茖W(xué)家希望能夠發(fā)展出一種快速與便宜的快速電子DNA定序科技。它們認(rèn)為石墨烯是一種具有這潛能的材料。基本而言，他們想要用石墨烯制成一個(gè)尺寸大約為DNA寬度的納米洞，讓DNA分子游過這納米洞。由于DNA的四個(gè)堿基（A、 C、 G、T）會(huì)對(duì)于石墨烯的電導(dǎo)率有不同的影響，只要測量DNA分子通過時(shí)產(chǎn)生的微小電壓差異，就可以知道到底是哪一個(gè)堿基正在游過納米洞。這樣，就可以達(dá)成目的。

　　

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