石墨烯的应用研究进展

摘要：石墨烯是一种由碳原子以sp 2杂化方式组成的二维六角蜂窝状点阵结构，是构成富勒烯、碳纳米管、三维石墨的基本单元。它具有良好的导热性、高机械强度、高透射系数以及较高的载流子迁移率和超大的比表面积等特点。近年来已成为国内外研究的热点，本文综述了石墨烯在触摸面板、太阳能电池、晶体管、能量存储、晶体管、生物传感器、抗癌药物载体等各方面的国内外的研究现状和进展，最后展望了石墨烯未来的发展前景。

文献标识码：A

文章编号：1671-864X（2015）03-0048-01

引言

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp 2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料 [1]。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯以其独特的结构引起了国内外科学家的广泛关注和极大的兴趣，石墨烯的原子结构致使其具有奇异的物理化学性质。研究发现石墨烯主要具有以下特点 [2-6]：(1)零带隙半导体；(2)无质量的Dirac费米子体系；(3)高载流子浓度，高迁移率；(4)微米尺度的相干长度；(5)二维电子气(QHE)等特点。二维的石墨烯是所有其它维数的石墨材料的基本构成单元，以石墨烯为基本单元，可以使其变成球状的成零维纳米分子材料C 60，也可以弯曲变成一维结构的单壁碳纳米管材料 [7]，亦可层层堆摞形成三维的石墨。石墨烯是为一种零带隙的半导体，其载流子迁移率约为晶体硅的100倍，在室温下大的相干长度和微米量级的自由程，使得石墨烯成为纳米电路的理想材料。基于石墨烯良好的导热性、高机械强度、高透射系数以及较高的载流子迁移率和超大的比表面积等，石墨烯在电子器件、气体传感器、信息存储、储氢材料和高性能材料等领域具有广阔的应用前景 [8,9]。此外，石墨烯还在生物医学方面具有潜在应用，可以作为抗癌药物的载体等 [10]。本文主要介绍了石墨烯在触摸面板、太阳能电池、晶体管、储氢物质、药物载体等各方面的实际应用和国内外的研究进展，最后对石墨烯未来的发展进行了展望。

一、触摸面板

由于铟锡氧化物具有较好的透明性和导电性，所以被广泛应用在显示行业领域。然而金属铟属于稀有金属，在地球的储量甚少，加之随着现代电子设备需求量的激增而导致的全球电子设备触摸屏总面积的持续增加，不久的未来的铟金属将会被消耗殆尽，所以急需寻找一种材料来代替氧化铟锡。2012年，韩国三星电子公司的研发人员采用卷对卷的方式把制备于铜箔上的石墨烯片转印到大型树脂片上，成功制备出了石墨烯触摸面板 [11]。因为石墨烯的特性决定了它是一种透明的、良好的半金属导体，非常适合用来制造透明触摸屏、光电子板等电子产品，克服了稀有金属资源有限的制约。

二、太阳能电池

由于石油、煤炭等不可再生能源日趋枯竭，寻找新的可再生能源是解决能源枯竭问题的唯一途径。于是太阳能电池应运而生，但是技术成熟、效率较高的硅太阳能电池的生产成本、制作工艺和环境问题限制了其自身的发展。作为太阳能电池的关键部件――窗口电极必须具有优良的导电性、透光性和合适的功函数。目前铟锡氧化物半导体透明薄膜（ITO）常常用来当作窗口电极材料，但是铟在地球上的资源有限，同时ITO在近红外区域的较差透光性和在酸性条件下不稳定的特性决定了ITO不适合用在柔性器件的生产中。Arco等人以石墨烯作为有机太阳能电池的透明电极，测得其效率为1.18%，非常接近ITO 的1.21%的转化效率 [12]。随着人们对石墨烯的更进一步的研究，以石墨烯为透明电极设计出的太阳能电池的性能已越来越卓越，同时用石墨烯可以制造出柔性太阳能电池，这说明石墨烯在太阳能电池领域开启了一扇大门。

三、场效应晶体管

石墨烯是一种零带隙的半导体，故不能直接在场效应晶体管。当石墨烯的禁带带隙变窄（小于10nm）时，它就会成为准一维材料，这该种材料亦称为石墨烯纳米带；因处于室温条件下的石墨烯纳米带由于宽度局域效应会出现带隙，所以用其制造的场效应晶体管的开关速度比可以达到10 7，其载流子迁移率也远超其他。在石墨烯刚被发现时，Novoselov等人用只有几纳米宽度的石墨烯制作出了场效应晶体管，在实验中发现石墨烯表现出双极性电场效应，其空穴和电子密度在室温下大致相同，均是5×10 12cm -2，载流子迁移率则高达10000cm 2/V﹒s。因石墨烯的载流子迁移率比硅高出了整整9倍，故石墨烯晶体管拥有的高载流子迁移率使得其频率非常高。随着生产石墨烯工艺的提升，石墨烯作为硅材料替代者拥有的前景，越来越被人们所期待。

四、结语

随着对石墨烯研究的不断深入，石墨烯在各领域的应用到了广泛的关注。制备大块高质量石墨烯才能进一步促进石墨烯的应用，因此改进现有制备工艺的水平，实现石墨烯的低成本、大规模的生产成为给当前迫切需要解决的科研问题。从半导体发展来看，未来的晶体管将会由纯净的、高导电性的石墨烯晶体和经过化学改性的具有半导体性能的石墨衍生物组成。此外，目前对石墨烯的性能应用研究主要集中在电子器件方面，如包括在气体分子传感器、生物传感器、场效应管以及超级电容器、太阳能电池等其它电化学领域中的应用。基于石墨烯优异的机械性能可制备高强度材料，而较高的导热性可以解决大功率集成电路的散热问题。同时石墨烯在生物制药以及医学领域的发展还有很大空间，如抗癌药物载体，微型机器人修复病变器官等都具有很大用途。综上所述，关于石墨烯的制备及其应用，还有大量的相关研究需要科研工作者的分析研究。