“超級(jí)材料”這個(gè)詞近來被大量的使用——陶瓷超級(jí)材料，氣凝膠超級(jí)材料，彈性體超級(jí)材料。但是有一種超級(jí)材料把它們都淹沒了，它讓它的發(fā)現(xiàn)者獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，并為科學(xué)的炒作和興奮定義了上限。它有可能使處理、電力儲(chǔ)存、甚至太空探索發(fā)生革命性的變化……但它還沒有真正實(shí)現(xiàn)任何目標(biāo)。它被稱為石墨烯，它是現(xiàn)代材料科學(xué)熱潮的鼻祖。石墨烯有可能成為有史以來最具顛覆性的單一發(fā)明之一，但它到底是什么呢?

石墨烯是由單層碳原子排列成六邊形晶格的一種異形體(形式)。它是碳的許多其他異形體的基本結(jié)構(gòu)元素，如石墨、鉆石、碳、碳納米管和富勒烯。

石墨烯有許多不同尋常的性質(zhì)，它能有效地傳導(dǎo)熱量和電，它的導(dǎo)電性也非常高，而且?guī)缀跏峭该鞯摹Ｋ粌H具有令人難以置信的物理特性，還被廣泛引用為每一重量基礎(chǔ)上創(chuàng)造的最堅(jiān)固的材料。例如，石墨烯在原子小的情況下，可以使處理器中的晶體管更加緊密地封裝，并允許許多電子行業(yè)向前邁進(jìn)一大步。

石墨烯令人難以置信的物理特性實(shí)際上在各種思想實(shí)驗(yàn)中被應(yīng)用。如果它能在至少一米長(zhǎng)的線程中被制造出來，一些科學(xué)家相信這些石墨烯可以被編織在一起，從而使它既足夠堅(jiān)固又足夠柔韌，可以成為太空電梯的支柱。這種單一的柔性，編織的碳將從地球表面延伸到地球同步軌道之外。如果石墨烯制造能夠自己發(fā)展起來的話，這類科幻發(fā)明將成為可能。

石墨烯對(duì)于各種各樣的領(lǐng)域來說都是革命性的。

在生物工程領(lǐng)域，科學(xué)家們希望利用石墨烯的小尺寸來穿透細(xì)胞壁，這可能會(huì)使研究人員選擇一個(gè)分子。石墨烯還可用于制造一種超細(xì)、反生物的水過濾器，用于快速過濾潛在危險(xiǎn)的飲用水。它可以簡(jiǎn)單地讓設(shè)計(jì)和建筑規(guī)模比以往任何時(shí)候都小，石墨烯的低電阻可以使太陽能電池板技術(shù)更加節(jié)能，但光子中所含的能量不足以激活石墨烯晶體管。由于石墨烯缺乏耐藥性，而且它的填充能力如此之強(qiáng)，能夠很快地大幅提高能源產(chǎn)量，因此石墨烯與污染物的“摻雜”增加其吸收能力一直是研究的主要來源。然而，就像所有的石墨烯一樣，我們將不得不拭目以待

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。

石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。[1]英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長(zhǎng)法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。[2]2018年3月31日，中國(guó)首條全自動(dòng)量產(chǎn)石墨烯有機(jī)太陽能光電子器件生產(chǎn)線在山東菏澤啟動(dòng)，該項(xiàng)目主要生產(chǎn)可在弱光下發(fā)電的石墨烯有機(jī)太陽能電池（下稱石墨烯OPV），破解了應(yīng)用局限、對(duì)角度敏感、不易造型這三大太陽能發(fā)電難題。

實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（KonstantinNovoselov）發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解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。2009年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚體物理學(xué)學(xué)術(shù)界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯能夠在實(shí)驗(yàn)中被制備出來。[4]

2018年3月31日，中國(guó)首條全自動(dòng)量產(chǎn)石墨烯有機(jī)太陽能光電子器件生產(chǎn)線在山東菏澤啟動(dòng)，該項(xiàng)目主要生產(chǎn)可在弱光下發(fā)電的石墨烯有機(jī)太陽能電池（下稱石墨烯OPV），破解了應(yīng)用局限、對(duì)角度敏感、不易造型這三大太陽能發(fā)電難題。[3]

2018年6月27日，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布新制訂的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《含有石墨烯材料的產(chǎn)品命名指南》。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了石墨烯材料相關(guān)新產(chǎn)品的命名方法。

機(jī)械剝離法

機(jī)械剝離法是利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡(jiǎn)單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結(jié)構(gòu)。2004年，英國(guó)兩位科學(xué)使用透明膠帶對(duì)天然石墨進(jìn)行層層剝離取得石墨烯的方法，也歸為機(jī)械剝離法，這種方法一度被認(rèn)為生產(chǎn)效率低，無法工業(yè)化量產(chǎn)。[27]雖然這種方法可以制備微米大小的石墨烯，但是其可控性較低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模合成。[21]

氧化還原法

氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學(xué)試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化，增大石墨層之間的間距，在石墨層與層之間插入氧化物，制得氧化石墨（GraphiteOxide）。然后將反應(yīng)物進(jìn)行水洗，并對(duì)洗凈后的固體進(jìn)行低溫干燥，制得氧化石墨粉體。通過物理剝離、高溫膨脹等方法對(duì)氧化石墨粉體進(jìn)行剝離，制得氧化石墨烯。最后通過化學(xué)法將氧化石墨烯還原，得到石墨烯（RGO）。這種方法操作簡(jiǎn)單，產(chǎn)量高，但是產(chǎn)品質(zhì)量較低。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強(qiáng)酸，存在較大的危險(xiǎn)性，又須使用大量的水進(jìn)行清洗，帶大較大的環(huán)境污染。

使用氧化還原法制備的石墨烯，含有較豐富的含氧官能團(tuán)，易于改性。但由于在對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原時(shí)，較難控制還原后石墨烯的氧含量，同時(shí)氧化石墨烯在陽光照射、運(yùn)輸時(shí)車廂內(nèi)高溫等外界每件影響下會(huì)不斷的還原，因此氧化還原法生產(chǎn)的石墨烯逐批產(chǎn)品的品質(zhì)往往不一致，難以控制品質(zhì)。[28]

取向附生法

取向附生法是利用生長(zhǎng)基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850℃后，之前吸收的大量碳原子就會(huì)浮到釕表面，最終鏡片形狀的單層的碳原子會(huì)長(zhǎng)成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋后，第二層開始生長(zhǎng)。底層的石墨烯會(huì)與釕產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會(huì)影響碳層的特性。[29]

碳化硅外延法

SiC外延法是通過在超高真空的高溫環(huán)境下，使硅原子升華脫離材料，剩下的C原子通過自組形式重構(gòu)，從而得到基于SiC襯底的石墨烯。這種方法可以獲得高質(zhì)量的石墨烯，但是這種方法對(duì)設(shè)備要求較高。[30]

赫默法

通過Hummer法制備氧化石墨；將氧化石墨放入水中超聲分散，形成均勻分散、質(zhì)量濃度為0.25g/L～1g/L的氧化石墨烯溶液，再向所述的氧化石墨烯溶液中滴加質(zhì)量濃度為28%的氨水；將還原劑溶于水中，形成質(zhì)量濃度為0.25g/L～2g/L的水溶液；將配制的氧化石墨烯溶液和還原劑水溶液混合均勻，將所得混合溶液置于油浴條件下攪拌，反應(yīng)完畢后，將混合物過濾洗滌、烘干后得到石墨烯。[31]

化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法即（CVD）是使用含碳有機(jī)氣體為原料進(jìn)行氣相沉積制得石墨烯薄膜的方法。這是目前生產(chǎn)石墨烯薄膜最有效的方法。這種方法制備的石墨烯具有面積大和質(zhì)量高的特點(diǎn)，但現(xiàn)階段成本較高，工藝條件還需進(jìn)一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄，因此大面積的石墨烯薄膜無法單獨(dú)使用，必須附著在宏觀器件中才有使用價(jià)值，例如觸摸屏、加熱器件等。[32]

低壓氣相沉積法是部分學(xué)者使用的，其將單層石墨烯在Ir表面上生成，通過進(jìn)一步研究可知，這種石墨烯結(jié)構(gòu)可以跨越金屬臺(tái)階，連續(xù)性的和微米尺度的單層碳結(jié)構(gòu)逐漸在Ir表面上形成。[33]毫米量級(jí)的單晶石墨烯是利用表面偏析的方法得到的。厘米量級(jí)的石墨烯和在多晶Ni薄膜上外延生長(zhǎng)石墨烯是由部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)的，在1000℃下加熱300納米厚的Ni膜表面，同時(shí)在CH4氣氛中進(jìn)行暴露，經(jīng)過一段時(shí)間的反應(yīng)后，大面積的少數(shù)層石墨烯薄膜會(huì)在金屬表面形成。