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1、神 奇 的 石 墨 烯背 景2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈K海姆(Andre K. Geim)等制备出了石墨烯。纯净的石墨烯是一种只有一个原子厚的结晶体，具有超薄(一个原子厚度)、超坚固和超强导电性能(电子通过率几乎达到100)等特性。石墨烯在被研制成功并首次公布后，立即成为材料学和物理学领域的研究热点，科学界认为石墨烯极有可能取代硅而成为未来的半导体材料，具有非常广阔的应用前景。斯德哥尔摩 2010年 10月 5日电 瑞典皇家科学院 5日宣布，将 2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈K海姆和康斯坦丁沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。近几年来 ，石墨烯以
2、其独特的结构和优异的性能，在化学、物理和材料学界引起了轰动。石 墨 烯 的 历 史理论到实验的历程1947年, 提出石墨烯的概念, 理论探讨(电子结构和线性频散关系): P. R. Wallace, The band theory of graphite, Phys. Rev. 71, 622-634, 1947）1956年, 建立石墨烯的激发态的波动方程: J. W. McClure, Diamagnetism of Graphite, Physical Review, 104, 666-671, 19561984年, 该方程与 Dirac方程的相似性被发现: G. W. Semenoff,
3、 Condensed-matter simulation of a three-dimensional anomaly, Physical Review Letters 53, 2449-2453, 1984; 以及, D. P. DiVincenzo & E. J. Mele, Self-consistent effective-mass theory for intralayer screening in graphite intercalation compounds, Physical Review B, 29, 1685-1694, 19841999 年, 提出实验方法, 但是没有做
4、成功: X. K. Lu, M. F. Yu, H. Huang, and R. S. Ruoff, Tailoring Graphite with the Goal of Achieving Single Sheets, Nanotechnology, 10, 269-272, 19992004年, 用该方法, 得到稳定的石墨烯片: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Electric Field E
5、ffect in Atomically Thin Carbon Films , Science 306, 666-669, 2004; 随后的一系列实验进一步证实及扩充有关的研究成果: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, and A. A. Firsov, Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in grapheme, Nature, 438, 197-200, 20
6、05Y. B. Zhang, Y. W. Tan, H. L. Stormer, and P. Kim, Experimental observation of the quantum Hall effect and Berrys phase in graphene, Nature, 438, 201-204, 2005K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, and A. K. Geim, Two-dimensional atomic crystals, Proce
7、edings of the national academy of sciences of united states of America, 102, 10451-10453, 2005I. I. Barbolina, K. S. Novoselov, S. V. Morozov, S. V. Dubonos, M. Missous, A. O. Volkov, D. A. Christian, I. V. Grigorieva, and A. K. Geim, Submicron sensors of local electric field with single-electron re
8、solution at room temperature, Applied physics letters, 88, 013901, 2006E. W. Hill, A. K. Geim, K. Novoselov, F. Schedin, and P. Blake, Graphene spin valve devices, IEEE Transactions on magnetics, 42, 2694-2696, 20062005年后, 有关研究爆炸性增长. 背景: 对得到单原子层的膜片, 给出不乐观结果的有关实验研究:H. P. Boehm, A. Clauss, U. Hofmann,
9、 and G. O. Fischer, Zeitschrift Fur Naturforschung, B17, 150, 1962A. Van Bommel, J. Crombeen, and A. Van Tooren, Surface Science, 48, 463, 1975I. Forbeaux, J. Themlin, and J. Debever, Physical Review B, 58, 16393, 1998C. Oshima, A. Itoh, E. Rokuta, and T. Tanaka, Solid state communications, 116, 37,
10、 2000对比: 其它方法的进步: 1975年, A. Van Bommel, J. Crombeen, and A. Van Tooren, Surface Science, 48, 463, 19751998年, I. Forbeaux, J. Themlin, and J. Debever, Physical Review B, 58, 16396, 1998在知道能制成稳定的石墨烯片后, 用上面两篇论文方法（有点改进）, 给出: 2004年, C. Berger, Z. M. Song, T. B. Li, X. B. Li, A. Y. Ogbazghi, R. Feng, Z. T
11、. Dai, A. N. Marchenkov, E. H. Conrad, P. N. First, and W. A. de Heer, Journal of Physical Chemistry B, 108, 19912, 2004(W. A. de Heer, C. Berger, and P. N. First, 石墨薄片器件及方法专利).得到稳定的石墨烯片在基础理论上的意义: 1929年, 针对二维 Dirac方程, O. Klein 提出隧穿效应: O. Klein, Z Phys., 53, 157, 19292006年, Katsnelson, Geim, 和 Novose
12、lov 提出可以用石墨烯来检验Klein隧穿效应: M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, Nature Physics, 2, 620, 2006 2009年, 得到证实: A. F. Young & P. Kim, Nature Physics, 5, 222, 2009用石墨烯测量分数量子 Hall效应, 精细结构常数, 等: R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres, and
13、 A. K. Geim, Science, 320, 1308, 2008石 墨 烯 的 性 质石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种炭质新材料，碳原子排列与石墨的单原子层一样。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0335 nm，厚度仅为头发的20万分之一， 是构建其他维数炭质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元，具有极好的结晶性及电学质量和非凡的电子学、热力学和力学性能。尽管石墨烯只有一个碳原子厚度，并且是已知材料中最薄的种。然而却非常牢固坚硬，它比钻石还强硬。石墨烯内原子中六个电子因在同一个轨道面上绕核运转，这原子便结构简单紧凑半径小。这半径很小的原子由其侧间的强引力
14、连结成的原子片（石墨烯）便似网孔很小的鱼网，其面的比重所以很大。石墨烯因由碳原子四侧之强引力即碳-碳键连结而成，拉伸它的阻力便是这原子四侧的强引力；因拉伸要涉及石墨烯中全部原子四侧的强引力，其阻力就必特别的大，所以石墨烯拉伸强度特大，其强度比世界上最好的钢铁还高100倍。石墨烯也是目前已知导电性能最出色的材料，其电子的运动速度达到了光速的1300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。此外，石墨烯还具有许多优异的性能：如较高的杨氏模量(1100GPa)、热导率(5000WIn-1K-1)、较高的载流子迁移率(2 X 105 cm2V-1 s-1)、巨大的比表面积(理论计算值2630 m2 g-
15、1)、铁磁性等等。这些优越的性质及其特殊的二维结构使得科学家认为石墨烯拥有非常美好的发展前景。石墨烯潜在的应用价值也随着研究的不断进行而逐步得到了体现。由于具有原子尺寸的厚度，优异的电学性质，极其微弱的自旋一轨道耦合，超精细相互作用的缺失以及电学性能对外场敏感等特性，石墨烯可望在纳米电子器件、电池超级电容、储氢材料、场发射材料以及超灵敏传感器等领域得到广泛的应用。石墨烯良好的导电性，使其在微电子领域具有巨大的应用潜力，可用来制造具有超高性能的电子产品。由于平面的石墨烯晶片很容易使用常规技术进行加工，这为制造纳米器件提供了很大的灵活性，甚至可能在一层石墨烯单片上直接加工出各种半导体器件和互连线，
16、从而获得具有重大应用价值的全碳集成电路。以石墨烯为原料还可以制备出只有1个原子厚、10个原子宽，尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。这种纳米晶体管具有其他晶体管所没有的一些优越性能：比如石墨烯具有较高的稳定性，即使被切成1纳米宽的元件，其导电性也很好，且随着晶体管尺寸的减小，其性能却越好；同时，该纳米电子晶体管在室温下也可以正常工作。这些优越的性能使得人们朝着制造可靠的纳米级超小型晶体管的方向迈出了重要一步。石墨烯也可以作为超级电容器元件中储存电荷的新型碳基材料。由于石墨烯的理论比表面积能达到了2630 m2g，这就意味着电解液中大量的正负离子可以储存于石墨烯单片上形成一个薄层，从而达到极高的电荷储存水平。该石墨烯超级电容器有望可以显著改善电力及混合动力交通工具的效率和性能，甚至日常的办公用复印机、移动电话等等。利用石墨烯可以制成精确探测单个气体的化学传感器，从而可以提高一些微量气体快速检测的灵敏性，而石墨烯在电子学上的高灵敏性还可用于外加电荷，磁场及机械应力等环境下的敏感检测。此外，石墨烯
