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Science | 石墨烯将向何处去？

老千和他的朋友们 · 公众号 · · 2025-03-04 10:16

正文

石墨烯 —— 一种由蜂窝结构排列的碳原子组成的单原子厚度层 —— 发现二十年后，对这种非凡材料的研究已从实验台发展到大规模生产和商业应用。

石墨烯以其广泛的特殊性能而闻名，包括电导率比铜高出 70% ，室温下的热导率是热解石墨的两倍多，强度是钢的 200 倍（而重量仅为钢的六分之一）。这些特性使石墨烯及其衍生物成为众多用途的理想选择，包括电子、结构和生物医学领域。然而，石墨烯更广泛的工业应用尚未实现。

正如 Novoselov 等人 2004 年的开创性论文中所描述的，高度定向热解石墨通过胶带机械剥离产生单层石墨烯薄片。这种新材料展现出令人着迷的性质。作者观察到强烈的双极性电场效应 —— 能够在施加栅极电压时在正负电荷之间切换的能力。他们还注意到了高室温载流子迁移率，这与电子或空穴在材料中移动的速度有关。这些特性使石墨烯在电子应用方面前景广阔。

K. S. Novoselov et al., Science 306, 666 (2004).

国家石墨烯研究院位于距离曼彻斯特大学首次分离出石墨烯的实验室仅几百米的地方

虽然机械剥离过程能生产原始石墨烯，但它只能制造尺寸从几十到几百微米的小薄片。因此，早期石墨烯研究集中在合成高质量的单层或多层连续石墨烯，主要通过在金属基底上使用含碳前驱体进行化学气相沉积。然而，有限的生产规模、不同批次间的质量差异大，以及缺乏可靠的方法将石墨烯从一个基底转移到另一个基底，都减缓了高质量石墨烯薄膜在电子设备中的应用。

石墨烯研究和商业化的初步重点集中在其衍生物上，例如石墨烯纳米片（由堆叠薄片制成的二维颗粒）、具有功能性氧基团的氧化石墨烯，以及去除氧基团的还原氧化石墨烯。这些相对更容易大量生产，而原始石墨烯主要通过胶带机械剥离石墨生产，但在产品中产生大量缺陷。 V. Nicolosi et al., Science 340, 1226419 (2013)

单层石墨烯石墨烯氧化物石墨烯纳米片

单层石墨烯

石墨烯氧化物

石墨烯纳米片

层数

1-10

5-10 （或更多）

应用

磁性 / 生物化学传感器；电子设备；光子学

热管理；水处理；过滤膜；复合材料

高强度服装，复合材料和混凝土；防腐涂层

生产方法

透明胶带剥离法；化学气相沉积

石墨的化学氧化；受控气体燃烧

石墨的机械或化学分解；受控气体燃烧

电导率

高（铜的 2 倍）

低 — 实际上是绝缘体

良好，取决于层数

其他特性

高热导率（铜的 10 倍）；高强度（原子薄钢的 100 多倍）

与水混合良好；易于化学修饰

高强度和韧性

因此，石墨烯的潜在应用已转向那些能够容忍结构缺陷但仍能受益于石墨烯衍生物强度和轻质特性的领域，如 复合材料、涂层和增强材料

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