「萬能材料」石墨烯，萬能在哪？

手機充電只需幾秒鐘？史上最薄電燈泡？光碟機動飛行器？關於石墨烯非凡應用的新聞不斷出現在人們的視野當中，似乎石墨烯已經成為了無所不能的超級材料。石墨烯究竟是什麼，到底有什麼特性讓它備受推崇？

圖1：石墨烯原子結構示意圖

1. 傳說中的石墨烯到底是什麼？

石墨烯與石墨之間有特殊的親緣關係。石墨這種材料大家可能都比較熟悉，比如說鉛筆芯、乾電池內部的電極等，其主要成分就是石墨。從微觀結構來看，石墨是一種層狀材料，由一層一層的碳原子堆疊而成。對於每一層而言，其中的碳原子之間以牢固的共價鍵相結合，非常穩定。而層與層之間則是以一種比較微弱的作用力相互結合的，從而使得層與層之間比較容易脫離開。因此，厚的石墨是可以很容易地解離成薄的石墨片的。那麼，石墨的這種結構就可以形象地類比成一本書，書中的每頁紙就類比成一層碳原子。而我們要講的石墨烯就是石墨這本「書」之中的一頁「紙」。

那麼這頁「紙」有何奇特之處，使之得到諾貝爾獎的青睞呢？最關鍵就在於石墨烯這頁「紙」特殊的結構。首先，石墨烯只有一個原子層的厚度，是人類製備出的第一種真正意義上的二維材料，顛覆了傳統理論中「自然界中根本不可能找到穩定存在的二維晶體材料」這一結論。第二，石墨烯中的碳原子是以六角蜂窩的形狀按規則排列的（如圖一），這種排列方式導致石墨烯擁有非常特殊的電子能帶結構，從而使其蘊含了豐富而新奇的物理現象與性質。在凝聚態領域中，材料的電子特性大都用薛定諤方程就可以充分描述。但是石墨烯是個例外，石墨烯中的電子輸運遵循的是狄拉克方程，其中的載流子是無質量，是類似於相對論性質的粒子，其有效速度接近於光速。這種材料的發現無疑為凝聚態物理中開闢了一塊全新的領域。

2. 「萬能材料」石墨烯，萬能在哪？

從材料科學的層面講，石墨烯具有許多特殊而優異的性質，從而具有廣泛的應用前景。在此試舉幾例：

（1）石墨烯具有超高的載流子遷移率和熱導率，遷移率是傳統硅基材料的幾十甚至幾百倍。載流子遷移率對於微電子器件來說是一項極其關鍵的參數，若是遷移率過低，將會導致產熱嚴重、響應頻率低下等後果。因此，由於遷移率高、導熱好，石墨烯被認為是一種理想的電子器件材料。

（2）在航天科學領域中，石墨烯可以被當做保護層覆蓋在一些元件的表面，用來降低因宇宙射線激發的二次電子。

（3）石墨烯具有極好的熱穩定性和化學穩定性。石墨烯熔點高達 3652 ?C，耐強酸強鹼等惡劣環境，具有極好的穩定性。

（4）石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，據測算如果用石墨烯製成厚度相當於普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 納米），它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至於斷裂。已經有科學家指出，擁有如此強度的材料，有可能成為未來「太空電梯」的首選材料。

（5）帶有納米級的空洞石墨烯，可以用于海水淡化。在生物學研究中，讓DNA長鏈一次經過石墨烯納米孔，可以進行DNA測序。

3. 我們在日常生活中能接觸到這種材料嗎？

通過上文的描述，我們可以知道，石墨烯可以通過減薄石墨來獲得。而石墨是自然界中分布十分廣泛的材料，在我們日常生活中是經常可以接觸到的。最普遍的一個例子就是鉛筆，當你用鉛筆寫字的時候，在紙上留下淡淡的石墨痕迹，實際上這個時候你就在製造石墨烯。

4. 石墨烯有助於研製超級電池、高級計算機和太空電梯？

關於超級電池：石墨烯有很高的比表面積，這是它能夠應用於超級電容器最關鍵的原因。所謂比表面積，就是單位質量的材料所擁有的表面積。也就是說材料分得越細小，比表面積越大。石墨烯因為只有一個原子層厚度，材料中所有的原子幾乎都露出一半來貢獻表面積，所以它的比表面積是極高的。用石墨烯製成的超級電容器是可以實現充放電過程的，其存儲密度遠遠高於目前主流的電容器。最近美國加州大學洛杉磯分校的研究人員就開發出一種以石墨烯為基礎的微型超級電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數秒內為手機甚至汽車充電，同時可用於製造體積較小的器件。

關於高級計算機：這主要涉及石墨烯在集成電路中的應用。①石墨烯良好的導電性能，非常適用於頻率不斷提升的高頻電路；②其超高的載流子遷移率有助於大幅度降低能耗、提升微電子集成器件的運行速度；③石墨烯是透明的材料，可以製成柔軟的透明電極，應用可摺疊的觸摸屏。④現代半導體微加工工藝都是二維平面工藝，即在一個平面上進行摻雜、刻蝕、連電極等基本加工。石墨烯的二維結構與之恰好匹配，傳統的微加工工藝完全適用石墨烯微、納米尺度結構的加工。

關於太空電梯：所謂太空電梯，就是要能將乘客從地面送到三萬六千公里高空的空間站的電梯。這就需要一條強度超高的纜繩，前面已經提到，石墨烯是目前所發現的強度最高的材料，所以有科學家提出利用石墨烯做成太空電纜的設想。但是僅僅只是強度這一參數符合要求還不夠，就目前的技術來講，人們還無法製造出如此之長的石墨烯纜繩。因此石墨烯太空電梯還只是停留在設想的階段。

（作者：謝立，中國科學院物理研究所納米物理與器件實驗室 博士研究生 原創文章，未經授權，請勿轉載）

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