近年来，石墨烯（第一种二维原子晶体）研究取得了许多突破，石墨烯的大量制备也取得了显著的进展。这种一个原子厚度的碳材料集超高的机械强度、电导率、热导率和抗渗性等诸多优异性能于一身，这使得其在许多领域中都有诱人的应用前景。因在石墨烯材料方面的卓越研究荣获2010年诺贝尔物理学奖的K.S.Novoselov等应邀撰写了一篇有关石墨烯最新进展的Review，该综述以“A roadmap for graphene”为题发表在2012年10月11日出版的Nature期刊上。这篇Review回顾了石墨烯研究的最新进展，综述了制备方法的发展，同时批判地分析了石墨烯的各种应用的可行性。下面让我们来一睹为快吧！
▲2010年诺贝尔物理学奖得主之一K.S.Novoselov
石墨烯能成为下一代颠覆性技术，替代目前使用的一些材料、开创新市场吗？它是否足够多功能从而使我们生活的方方面面发生突破性变革吗？从石墨烯的性质来看，它的确有这个潜力。石墨烯是科学家制备的第一种二维原子晶体。它的许多参数——如刚度、强度、弹性、电导率、热导率等等——都是无与伦比的。这些性质表明石墨烯能够替代许多其他材料。然而，这么多优异的特性集中于这一种材料上意味着石墨烯将可能导致变革性的技术。石墨烯的透明性、导电性和弹性使其可应用于柔性电子器件，而透明性、抗渗性和导电性使其可应用于透明保护膜和隔膜；这种性质的组合应用正越来越多。然而，新技术的应用通常是一个时间长、代价高的过程，石墨烯的性质是否足够特殊，足够通用，以能够改变现状从而转向更为便捷的新技术呢？
▲综述导览图
石墨烯发展得如此迅速的其中一个原因在于研究人员能够在实验室通过相对简单而低成本的方法获得高质量的石墨烯。石墨烯许多实验测出的性能都超出了其他材料，而且有些性能甚至达到了理论预测极限。如：室温电子迁移率为2.5ⅹ105cm2V-1s-1（理论值为2ⅹ105cm2V-1s-1）；杨氏模量为1TPa，固有强度为130GPa（十分接近于理论值）；很高的热导率（高于3000WMK-1）；光学吸收率为πα≈2.3%（α为常数）；不透气，能保持极高的电流（比铜高出许多倍）。石墨烯可以带上功能化官能团是它的另一个特性。
石墨烯因其具有许多优异的性能而获得了“奇迹材料”的称号。然而，这些优异的性能都是建立在高质量样品的基础上（机械剥离石墨烯），并且石墨烯需要存放在特制的基材上，如六方氮化硼。至今为止，还没有使用其他制备方式的石墨烯能得到同样的性能，所以此方法正在快速的发展。如果产业化的石墨烯的性能能与实验室中制备出的石墨烯具有同样优异的性能，那么在工业应用上将会有很大的前景。
自然中有许多二维晶体，比如氮化硼和二硫化钼，与石墨烯具有相同的结构，但是它们具有各自特有的性能。这些二维晶体为得到更好性能的材料和设备提供了可能，或者可以与石墨烯结合起来使用（例如二维异质结构材料）。尽管这篇综述没有涵盖所有的二维晶体材料，但作为二维晶体材料和异质结构的一部分，石墨烯仍有很大的商业价值。
生产具有特殊用途的石墨烯是石墨烯应用市场的关键，并且这种情况将会持续十年或者直到石墨烯的性能都能满足石墨烯的潜在应用。现在已经发展了很多制备多维度、各种形状和高质量石墨烯的方法。这里只关注可用于大规模生产的制备方法。
根据石墨烯的性能将石墨烯分为以下几类：（1）用于复合材料、导电涂料等的石墨烯或者还原氧化石墨烯薄片；（2）用于低活性和稳定设备的平面石墨烯；（3）用于高性能电子器件的平面石墨烯。不同种类的石墨烯的性能十分依赖于材料的质量，比如说缺陷、基材等等，并且受加工方法的影响很大。（见图1和表1）
▲图1 宏量制备石墨烯的不同方法的性价比
3.1 液相和热剥离
液相剥离的石墨烯（或者其他的层状材料）是利用溶剂的表面张力增加石墨烯的结晶面积的方法制得。溶剂可以选择传统的非水溶液溶剂，可以是在水溶剂中加入表面活性剂。通过超声分散，石墨烯分离为单独的片晶，延长超声的时间可以在悬浮液中得到更多的单层片，通过离心分离后单层片的含量可以得到进一步的提高。
氧化石墨烯的合成路线与此方法相关，即首先氧化石墨烯粒料，然后在水溶液中超声剥离。剥离氧化石墨烯之后，悬浮液需要通过离心分散进一步加工，然后该悬浮液可以在几乎任意表面上沉积为薄膜，并(部分)原位还原到母体石墨烯的状态。
工业上使用的完全水溶剂氧化石墨烯的制备方法通过热震动过程来完成剥离和还原。尽管这种方法得到的石墨烯组成中含有许多层结构，但是它仍然保持了单层石墨烯的优良性能。与氧化过程相似，可以通过插入小分子来扰乱石墨的堆叠过程。例如石墨中插入的小分子，通过与氧化过程相近的处理方法，然后经历热处理或者等离子处理过程，使得石墨烯为单层排列。
许多石墨烯纳米带悬浮液是通过将单壁碳纳米管像拉链一样拉开的方法来制备的。尽管这个方法会比化学剥离石墨烯或者氧化石墨烯的方法更加昂贵，但是这些方法可以得到片层分布（较窄）的石墨烯片的悬浮液。同时，纳米管劈开法可以更好的控制化学官能团和边缘的质量。
这种块级石墨烯的生产方法已经用于大量生产，现在正被评估应用于众多领域中。因此，石墨烯油墨和颜料将会被用于电子、电磁屏蔽、隔离涂层、散热、电容器等产业中。许多基于片层的产品预计将在多年后进入市场，并且商业层面上的导电油墨的应用已经被证实。
3.2 化学气相沉积
通过化学气相沉积（CVD）在铜箔和薄膜上生长制备大面积均匀的石墨烯薄膜的方法正在不断的发展，并且在许多领域上表现出很大的前景。尽管整个制备过程需要石墨烯从铜基片向绝缘的表面或者其他基材上转移，但是已经可以生产平方米级的石墨烯了。在最新设备上，石墨烯薄膜已经可以转移到200mm的硅片上了。在较小的规模上，这些薄膜展现出的转移能力与在二氧化硅和六方氮化硼基材上剥离的石墨烯相同。尽管这种方法存在晶界、片层过厚等缺陷，但这种薄膜已经用在透明的导电涂层中（例如接触屏）。
目前，这种方法由于要除去底层的金属层需要较大的能量消耗所以成本太高。一旦转移工序合理化，这种方法确实可以降低成本。在石墨烯CVD技术推广前，有许多的问题需要解决。要满足石墨烯在金属薄膜（10nm）上生长的同时控制晶体尺寸、掺杂含量和片层数量。控制石墨烯片层的数量和结晶方向是最为重要的，因为许多应用需要双层、三层或者更厚的石墨烯结构。同时，这种转移过程可以通过优化方案来减少破坏石墨烯和还原腐蚀的金属。
这种转移过程因为石墨烯自身的生长可能会变得复杂。然而，许多的应用依赖于石墨烯在金属表面上正方形的生长得到，不需要石墨烯转移：石墨烯的高热导和电导性能和优秀的屏蔽性能，使得石墨烯可以在闭合回路中增强铜导线的性能。因为石墨烯是惰性的，所以可以阻隔任何气体，在任何形貌的金属表面上形成保形层，可以作为抗腐蚀性涂料。
石墨烯制备方法上的突破应该是在降低缺陷数量的前提下，让石墨烯可以在任何表面上或者低温下生长（例如使用等离子CVD法等）。前一种方法可以避免复杂而昂贵的转移过程，促进二维晶体与其他材料的结合（例如硅和砷化镓）。后一种方法可以提高与微电子技术的结合，可以很大程度的节约能源。
3.3 在SiC上合成
碳化硅作为大功率电子器件常用的材料，已经证实可以通过硅原子的升华使得石墨层在碳化硅晶体中碳或者硅的表面上生长，从而得到一个石墨化的表面。首先，碳化硅表面的碳终端生长为无规取向的多层结晶层，但是石墨烯层生长的数量被控制。这种石墨烯有着接近几百个微米的晶体，得到的质量比较好。
这种方法的两个主要缺点是，碳化硅晶体的价格比较贵，需要的温度较高（高于1000°C），由于石墨与硅电子器件的相容性比较差。此种方法还需要进一步的研究，目前有几种利用在碳化硅上生长石墨烯的潜在方法。由于生长温度比较高，基材价格比较贵，晶体直径比较小，在碳化硅上制备石墨烯的方法在应用中比较受限。当第七主族元素材料（例如砷化镓，碳化镓等材料）能够达到极限值1THz，基于碳化硅生长的石墨烯在十年之内可以很好的应用于高频率的晶体管中。这种短的晶体管目前广泛用的是20μm晶体（目前是通过在碳化硅生长石墨烯得到）。另一个有趣的但小众的应用是，这种石墨烯样品可以作为电阻的测量标准，在较高温度下，相较于传统的六方结构的砷化镓，这种石墨烯已经具有更高的电阻精度。
除了生长过程中需要高温这个无法避免的问题，未来十年里还需要解决生长过程中第二层与第三层之间的边缘所产生的多元结晶层（导致载流子散射），该结晶层是由于增加晶体的尺寸以及对沉底和缓冲层的无意控制而带来的杂质。
3.4 其他生长方法
尽管还有许多其他的生长方式，但是都不太可能在未来的十年中应用于商业生产。然而其中一些方法还是具有一定的优势，需要进一步研究。线性聚亚苯基单体分子引发剂脱氢环化，是一个采用化学驱动的自下而上来制备高质量石墨烯纳米带和更多复杂结构的方法。分子束外延已经被用于生长化学纯石墨烯，但是由于成本比CVD法更加高，所以不可能大规模生产。激光烧蚀是一种潜在生长技术，可以让石墨烯纳米片层在任何基材上沉积。但与化学剥离石墨烯的方法相比，其成本较高，所以目前不会广泛应用。
▼表1 不同制备方法得到的石墨烯的性质
由于缺少能带隙，十年内将石墨烯做成高性能集成电路的平面通道材料是不太可能的。然而，其他的一些石墨烯应用正在发展，使用的是一些可用（在质量方面还不是很理想）的材料。图2和表2列出了一些已经应用或即将应用石墨烯基模型所制备的器件。
