碳原子呈六角形網(wǎng)狀鍵合的材料“石墨烯”具有很多出色的電特性、熱特性以及機(jī)械特性。具體來(lái)說(shuō)，具有在室溫下也高達(dá)20萬(wàn)cm²/Vs以上的載流子遷移率，以及遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)銅的對(duì)大電流密度的耐性。為此，石墨烯有望用于高速晶體管、觸摸面板、太陽(yáng)能電池用透明導(dǎo)電膜，以及成本低于銅但與銅相比可通過(guò)大電流的電線(xiàn)等。

另外，在目前可以制作的片狀材料中，石墨烯的厚度最薄、比表面積也較大。而且，還具有超過(guò)金剛石的強(qiáng)度、彈性模數(shù)和導(dǎo)熱率。如果沒(méi)有缺陷的話(huà)，即便是單層石墨烯，也不會(huì)通過(guò)大于氦（He）原子的物質(zhì)。這些性質(zhì)可以使石墨烯作為電池的電極材料、散熱膜、MEMS傳感器，或是理想的阻擋膜（Barrier Film）。

與其他材料相比，石墨烯還擁有許多極為特殊的性質(zhì)。例如，在室溫下也可呈現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)；可實(shí)現(xiàn)名為“Klein Tunneling”的、透射率為100％的通道效應(yīng)；電阻值為固定值而與距離無(wú)關(guān)的“彈道輸運(yùn)”（Ballistic Transport）的有效距離較長(zhǎng)；按照由石墨烯上的自由電子來(lái)描述中微子的方程式（韋爾方程，Weyl Equation），石墨烯可以像質(zhì)量為零的粒子一樣運(yùn)動(dòng)；而且，石墨烯具有被稱(chēng)為“贗自旋（Pseudospin）”和“贗磁場(chǎng)”的、宛如存在電子自旋和磁場(chǎng)的特性；石墨烯還擁有負(fù)折射率，等等。這些特性可以使石墨烯用于超高精度的氣體傳感器和應(yīng)變傳感器等。

1、可做“太空電梯”纜線(xiàn)

石墨烯不僅可用來(lái)開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。研究人員表示，如果這種方法被證明可用以成批制造石墨烯光纖，將能降低超堅(jiān)固炭素復(fù)合材料的成本，炭素復(fù)合材料在航空航天、汽車(chē)和建筑等領(lǐng)域具有廣泛的用途。

2、代替硅生產(chǎn)電子產(chǎn)品

硅讓我們邁入了數(shù)字化時(shí)代，但研究人員仍然渴望找到一些新材料，讓集成電路更小、更快、更便宜。在眾多的備選材料中，石墨烯最引人矚目。石墨烯值得炫耀的優(yōu)點(diǎn)有很多，比如超高強(qiáng)度、高透光性以及超強(qiáng)導(dǎo)電性，這讓它成為了制造可彎曲顯示設(shè)備和超高速電子器件的理想材料。石墨烯如今已經(jīng)出現(xiàn)在新型晶體管、存儲(chǔ)器和其他器件的原型樣品當(dāng)中。

國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）己研制出運(yùn)行速度最快的石墨烯晶體管。lBM公司于2010年12月發(fā)布了其與美國(guó)麻省理工學(xué)院MIT的共同研究成果——在SiC基板上形成的柵長(zhǎng)為240nm的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET，并驗(yàn)證其截止頻率為230GHz。石墨烯通過(guò)熱外理SiC基板而成膜。IBM表示，計(jì)劃將其應(yīng)用于高頻RF元件。

Rice大學(xué)研究人員正在著手研究一類(lèi)存儲(chǔ)單元密度至少為閃存兩倍的石墨烯片狀存儲(chǔ)器。石墨烯是由沒(méi)有卷成納米管的純炭原子薄膜構(gòu)成，此次Rice大學(xué)研究人員首次將石墨烯用于架構(gòu)更簡(jiǎn)單的雙端存儲(chǔ)器件。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)各，例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)法將越來(lái)越多的信息填充在信號(hào)中，它們被要求使用越來(lái)越高的頻率，然而手機(jī)的工作頻率越高，熱量也越高。于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無(wú)限廣闊了。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

3、光子傳感器

石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場(chǎng)上，用于檢測(cè)光纖中攜帶的信息。現(xiàn)在，這個(gè)角色還在由硅擔(dān)當(dāng)，但硅的時(shí)代似乎就要結(jié)束。去年10月，IBM的一研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測(cè)器，接下來(lái)人們要期待的就是基于石墨烯的太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏了。

英國(guó)劍橋大學(xué)及法國(guó)CNR的研究人員已經(jīng)制造出超快鎖模石墨烯激光器。由于石墨烯為零能隙的半導(dǎo)體，這項(xiàng)研究成果不僅令人意外，而且顯示了石墨烯在光電器件上大有可為。

4、納電子器件

石墨烯是納米電路的理想材料，也是驗(yàn)證量子效應(yīng)的理想材料。但是由于完整的石墨烯基本沒(méi)有帶隙，極大地限制了它在半導(dǎo)體器件上的應(yīng)用，所以為石墨烯開(kāi)啟一個(gè)帶隙，是一件非常重要的課題。近來(lái)研究表明，一維尺度受限的石墨烯納米帶具有一定的帶隙，可以獲得高性能的晶體場(chǎng)效應(yīng)管，增加芯片速度與效能、降低耗熱量。然而，制備寬度小于10nm的石墨烯納米帶是非常困難的問(wèn)題。

在納電子器件方面石墨烯的可能應(yīng)用包括:電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場(chǎng)效應(yīng)管;進(jìn)一步減小器件開(kāi)關(guān)時(shí)間，THz超高頻率的操作響應(yīng)特性;探索單電子器件在同一片石墨烯上集成整個(gè)電路。

據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)2010年6月10日?qǐng)?bào)道，美國(guó)科研人員利用石墨烯制造納米電路領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。設(shè)計(jì)出了簡(jiǎn)便、快速的納米電線(xiàn)制造方法，能夠調(diào)諧石墨烯的電學(xué)特征，使氧化石墨烯從絕緣物質(zhì)變成導(dǎo)電物質(zhì)。

美國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究人員用石墨烯制成了分子級(jí)電子電路。石墨烯可以被刻成擁有單個(gè)晶體管的電子電路，其尺寸不比分子大多少，晶體管尺寸越小，其功能越強(qiáng)。研究人員還表示，從氧化石墨烯到石墨烯的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換是制造導(dǎo)電性納米線(xiàn)的重要途徑，其不僅可應(yīng)用于軟性電子學(xué)領(lǐng)域，還有望用于生產(chǎn)與生物兼容的石墨烯電線(xiàn)，可被用于測(cè)量單個(gè)生物細(xì)胞的電子信號(hào)。

5、優(yōu)良的太陽(yáng)能電池

因?yàn)槭┦峭该鞯模盟圃斓碾姲灞绕渌牧暇哂懈鼉?yōu)良的透光性。透明的石墨烯薄可制成優(yōu)良的太陽(yáng)能電池。美國(guó)魯特格大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種制造透明石墨烯薄膜的技術(shù)，這是一種幾厘米寬、1～5nm厚的薄膜。石墨烯薄膜是一種平坦的單原子碳薄，可用于取代透明導(dǎo)電的ITO電極用于有機(jī)太陽(yáng)能電池。這些薄膜還用于取代顯示屏中的硅薄膜晶體管。石墨烯運(yùn)送電子的速度比硅快幾十倍，因而用石墨烯制成的晶體管工作得更快、更省電。美國(guó)南加州大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有機(jī)太陽(yáng)電池。

6、單分子傳感器

美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院的研究者最近發(fā)表的三項(xiàng)新研究成果表明石墨烯應(yīng)該用于制造風(fēng)力渦輪機(jī)和飛機(jī)機(jī)翼的增強(qiáng)復(fù)合材料。石墨烯可用作吸附劑、催化劑載體、熱傳輸媒體，可制成具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的電子元件，應(yīng)用于電池/電容器，即使在生物技術(shù)方面也可得到應(yīng)用。

2010年，美國(guó)萊斯大學(xué)利用該石墨烯量子點(diǎn)，制作單分子傳感器。萊斯大學(xué)將石墨烯薄片與單層氦合形成石墨烷。氦使導(dǎo)電的石墨烯變換成為絕緣的石墨烷。研究人員移除石墨烯薄片兩面的氦原子島，就形成了被石墨烷絕緣體包圍的、微小的導(dǎo)電的石墨烯阱。該導(dǎo)電的石墨烯阱就可作為量子阱。量子點(diǎn)的半導(dǎo)體特性要優(yōu)于體硅材料器件。這一技術(shù)可用來(lái)制作化學(xué)傳感器、太陽(yáng)能電池、醫(yī)療成像裝置或是納米級(jí)電路等。
 
7、觸摸面板試制品不斷面世 

除了高速高靈敏度器件之外，透明導(dǎo)電膜也是最接近實(shí)用化的的應(yīng)用例。設(shè)想作為目前普遍使用的ITO的替代材料，用于觸摸面板、柔性液晶面板、太陽(yáng)能電池及有機(jī)EL照明等。試制品也接二連三地面世。
 
透明導(dǎo)電膜這一用途備受期待的原因在于，石墨烯具備較高的載流子遷移率且厚度較薄。一般來(lái)說(shuō)，高透明性與高導(dǎo)電性是互為相反的性質(zhì)。從這一點(diǎn)來(lái)看，ITO正好處在透明性與導(dǎo)電性微妙的此消彼長(zhǎng)（Trade-off）關(guān)系的邊緣線(xiàn)上（如下圖）。這也是超越ITO的替代材料遲遲沒(méi)有出現(xiàn)的原因。

石墨烯在理論上有望避開(kāi)這種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系成為理想的透明導(dǎo)電膜。其原因是，由于載流子遷移率非常高，即使載流子密度較低，導(dǎo)電性也不容易下降。而載流子密度較低的話(huà)，會(huì)比較容易穿過(guò)更大波長(zhǎng)范圍的光。相當(dāng)于單個(gè)原子的超薄厚度同樣有助于提高透明性。不僅是可見(jiàn)光，石墨烯還可透過(guò)大部分紅外線(xiàn)，這一性質(zhì)目前已為人所知。因此，對(duì)于還希望利用紅外線(xiàn)來(lái)發(fā)電的太陽(yáng)能電池而言，石墨烯有望成為劃時(shí)代的透明導(dǎo)電膜。與不適于彎曲的ITO相比，還具備柔性較高的優(yōu)勢(shì)。

不過(guò)，透明導(dǎo)電膜目前還存在很多問(wèn)題。由于制作大面積石墨烯時(shí)會(huì)混入很多雜質(zhì)及缺陷，因此大多數(shù)試制品的導(dǎo)電性及透明性都未達(dá)到ITO的水平。即便如此，石墨烯仍有望用來(lái)制作觸摸面板如下圖所示。

a. 為產(chǎn)綜研以石墨烯為透明導(dǎo)電膜制作的觸摸面板。b. 為使用CNT的例子。c. 表示試制例的性能及用途。d. 由產(chǎn)綜研提供。

這個(gè)觸摸屏的工作原理很容易理解，觸摸屏由上下兩層粘在PET薄膜上的石墨烯構(gòu)成，沒(méi)有接觸的情況下，兩層石墨烯被下層上放置的絕緣點(diǎn)陣阻隔而互不接觸。當(dāng)外界壓力存在的時(shí)候，PET薄膜和石墨烯在壓力下發(fā)生形變，這樣上下兩層石墨烯就發(fā)生接觸，電路連通。接觸的位置不同，器件邊緣電極收集到的電信號(hào)也不一樣，通過(guò)對(duì)電信號(hào)的分析，就可以確定是觸摸屏上的哪個(gè)位置發(fā)生了接觸。三星公司的成功，讓人們看到，這種生成大尺寸石墨烯的方法完全適合于工業(yè)應(yīng)用，而且相對(duì)于傳統(tǒng)方法，成本低了很多。

8、石墨烯納米生物傳感器

2010年3月，在中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)特別基金和國(guó)家自然基金項(xiàng)目的支持下，國(guó)家納米科學(xué)中心石墨烯納米生物傳感器研究取得突破。國(guó)家納米科學(xué)中心和美國(guó)哈佛大學(xué)合作首次成功制備了石墨烯與動(dòng)物心肌細(xì)胞的人造突觸，建立了一維、二維納米材料與細(xì)胞相結(jié)合的獨(dú)特研究體系，為生物電子學(xué)的研究帶來(lái)了新的機(jī)遇。

9、高速光學(xué)調(diào)制器

美國(guó)華裔科學(xué)家使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調(diào)制器，科學(xué)家表示，這個(gè)只有頭發(fā)絲四百分之一細(xì)的光學(xué)調(diào)制器具備的高速信號(hào)傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬(wàn)倍，一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影指日可待。這項(xiàng)研究的突破點(diǎn)就在于，用石墨烯這種世界上最薄卻最堅(jiān)硬的納米材料，做成一個(gè)高速、對(duì)熱不敏感，寬帶、廉價(jià)和小尺寸的調(diào)制器，從而解決了業(yè)界長(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題。

10、石墨烯納米抗菌材料

2010年8月20日，美國(guó)化學(xué)會(huì)《ACS納米》雜志報(bào)道了中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所物理生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室在新型石墨烯納米抗菌材料方面的研究工作。上海應(yīng)用物理所物理生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生胡文兵等在樊春海和黃慶研究員的指導(dǎo)下探索了氧化石墨烯的抗菌特性，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯納米懸液在與大腸桿菌孵育2h后，對(duì)其抑制率超過(guò)90%，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氧化石墨烯的抗菌性源于其對(duì)大腸桿菌細(xì)胞膜的破壞。更重要的是：氧化石墨烯不僅是一種新型的優(yōu)良抗菌材料，而且對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞毒性很小。此外，通過(guò)抽濾法能夠?qū)⒀趸┲苽涑杉埰瑯拥暮暧^石墨烯膜，也能有效地抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)。由于氧化石墨烯的制備簡(jiǎn)便、成本低廉，這種新型的碳納米材料有望在環(huán)境和臨床領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。中國(guó)科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無(wú)法生長(zhǎng)，而人類(lèi)細(xì)胞卻不會(huì)受損。利用這一點(diǎn)石墨烯可以用來(lái)做繃帶，食品包裝甚至抗菌T恤。

11、其它

中國(guó)科學(xué)院金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料部的研究人員在石墨烯的研究方面取得的進(jìn)展主要包括以下三個(gè)方面:可控制備出高質(zhì)量石墨烯;提出了表征石墨烯結(jié)構(gòu)的新方法；開(kāi)展了石墨烯的應(yīng)用探索。在石墨烯的應(yīng)用方面，該實(shí)驗(yàn)室有研究人員在石墨烯宏量制備的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了石墨烯在場(chǎng)發(fā)射體、超級(jí)電容器、鋰離子電池和透明導(dǎo)電膜等方面的應(yīng)用探索。

如上所述，石墨烯有望在諸多應(yīng)用領(lǐng)域中成為新一代器件，但這些元件要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平，還需要解決一大問(wèn)題。那就是如何在所要求的基板或位置制作出不含缺陷及雜質(zhì)的高品質(zhì)石墨烯，或者通過(guò)摻雜Doping法實(shí)現(xiàn)所期望載流子密度的石墨烯。用于透明導(dǎo)電膜用途時(shí)能否實(shí)現(xiàn)大面積化及量產(chǎn)化，而用于晶體管用途時(shí)能否提高層控制精度，這些問(wèn)題都十分重要。今后，為了探尋石墨烯更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，還需繼續(xù)尋求更為優(yōu)異的石墨烯制備工藝，使其得到更好的應(yīng)用。

作者：物理  1001  任建新