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編者按：2010年10月5日， 瑞典皇家科學院宣布，將2010年諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學科學家安德烈•海姆和康斯坦丁•諾沃肖洛夫，以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究(見《力學園地》10月11日報道)。有關石墨烯的研究和應用，得到越來越廣泛的關注。近日，力學所李國琛研究員從國外發來郵件并推薦資料，建議《力學園地》對石墨烯作進一步介紹。為此，我們編撰了簡要的綜述，有興趣的讀者可進一步參閱《科技導報》2010年第24期的評述“從石墨烯的制備及應用研究進展看2010年度諾貝爾物理學獎”等。
石墨烯—一種奇特的新材料
2010年諾貝爾物理獎得主海姆和諾沃肖洛夫這對師生檔，于2004年在“周五夜實驗”(Friday evening experiments)中“玩”出了一種奇特的新材料——石墨烯。“周五夜實驗”是海姆實驗室的有趣傳統，它鼓勵天馬行空突發奇想。其唯一的規則是：不準用復雜的實驗器材，只能赤手空拳，或用最簡單的工具。他們利用一段透明膠帶，黏上一點石墨，再用另一段膠帶黏上，一撕，原來膠帶上的碳原子層就會被剝掉減少。一剝再剝，直到只剩單一碳原子的厚度，就是今年諾貝爾物理獎所表彰的石墨烯：六角形蜂窩狀排列的單一厚度碳原子層。
石墨烯構成的單層蜂窩狀二維網絡結構(參見圖1)，是組成其它碳素異構體的基本單元：它可以折疊成富勒烯(零維)，可以卷曲成碳納米管(一維)，可以堆垛成石墨(三維)。在海姆和諾沃肖洛夫成功做出石墨烯前，這種材料只是一種的理論假說。因為根據熱力學漲落理論，除非有支撐材料，否則不可能有任何孤立的二維晶體能在有限的溫度下存在。他們的發現，掀起了繼富勒烯和碳納米管之后碳材料的又一次研究熱潮。
圖1. 石墨烯單層蜂窩狀二維網絡結構示意
不要以為石墨烯是很容易“剝”成功的東西。諾沃肖洛夫說他自己整整用膠帶剝了一年，才剝出剩單一碳原子層的石墨烯。而且要證明這是只有單一厚度層的材料亦非易事。因為石墨烯實在太薄(厚度只有0.335納米)，把它放在玻璃上很難觀察到。兩位諾貝爾獎得主的實驗室找到了一個方法：把石墨烯放在285納米厚的氧化硅上，利用光波的干涉效應，透過光學顯微鏡，才能清楚觀察到。
石墨烯的基本特性是：(1)密度：面密度為0.77 mg/m2。提取石墨烯中的一個正六邊形碳環作為結構單元(圖2)，由于每個碳原子僅有1/3屬于這個六邊形，因此一個結構單元中的碳原子數為2。六邊形的面積為0.052 nm2。由此可計算出石墨烯的面密度為0.77 mg/m2。假設有一張面積為1 m2的石墨烯吊床，其質量僅為0.77 mg。(2)透光性和顏色：石墨烯的可見光透過率為97.7%，且與波長無關。因此自由懸浮的石墨烯是高度透明且無色(無味)的。(3)強度：石墨烯的強度極限(抗拉強度)為42 N/m。如果普通用鋼具有同石墨烯一樣的厚度(~0.335 nm)，則可推算出其二維強度極限為0.084~0.40 N/m。由此可知，理想石墨烯的強度約為普通鋼的100倍。面積為1 m2的石墨烯層片可承受4 kg的質量。也就是說，前面提到的那張吊床不僅是近乎透明的，還可以承受一只貓的重量。而這張吊床的重量僅和貓的一根胡須的重量相當。(4)電導率：二維材料的電導率可由公式σ=enμ計算得出。當載流子密度n=1012 cm-2時，遷移率μ為2×105cm2V-1s-1，計算可得石墨烯的面電阻約為31 Ω/sq。這表明面積為1m 2的石墨烯吊床的電阻僅為31 Ω。(5)熱導率：石墨烯的熱導率實驗值約為5000 Wm-1K-1，是室溫下銅的熱導率(401 Wm-1K-1)的10倍多。(6)其它：在電磁方面還具有室溫量子霍爾效應、雙極性電場效應、鐵磁性、超導性及高電子遷移率等奇特性質。
圖2. 石墨烯“吊床”
諾貝爾物理學獎評審委員會在向媒體發布的材料中介紹，石墨烯不僅“最薄、最強”，而且導電性能類似金屬銅，導熱性能超過所有已知材料，其結構還非常穩定。目前人們普遍認為，石墨烯材料會最終替代硅，從而引發電子工業的再次革命。 盡管石墨在大自然中非常普遍，但科學家可能仍然需要花費數年甚至幾十年時間，才能找到一種將石墨轉變成大片高質量石墨烯“薄膜”的方法，從而可以用它們來為人類制造各種有用的物質。六年來，關于石墨烯制備方法的研究方興未艾，主要包括機械剝離法、剖開碳納米管法、化學氣相沉積法(CVD)、還原氧化石墨法和有機合成法等等，中外科學家都并取得了長足的進步。現在努力的方向是：探索更簡便的工藝，制備大尺寸的石墨烯；控制石墨烯的形狀、尺寸、層數、帶隙、元素摻雜和聚集形態等因素。不僅科學界在努力研發，企業界也積極涉足這個領域。例如，南韓三星公司喊出2012年要推出30吋的石墨烯材料面板，用于液晶電視、相機屏幕等各種顯示器的透明電極，我國深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司也宣稱有小規模產出石墨烯并正在建設中試生產線。然而據報道，目前1克石墨烯的價格在5000元左右，是1克黃金的十五倍之多。因此，尋求規模化、低成本生產方法仍然任重道遠。
與石墨烯的制備一樣，石墨烯的應用也是當前科學研究的熱點。人們設想可以利用石墨烯材料研制長達數萬公里的“太空電梯”纜線、紙片般的超輕型飛機、堅韌的防彈衣、新穎的生物器件。。。，但科學家的興趣點主要集中在下述四個領域：(1)場效應晶體管。當石墨烯寬度小于10納米時，它就變成準一維材料(所謂的石墨烯納米帶)。采用它制備的場效應晶體管有著優異的開關速度和載流子遷移率，并顯示了雙極性電場效應，從而不存在硅晶體管柵極小于5納米時失效的問題。這為發展超級計算機奠定了基礎。(2)太陽能電池。窗口電極是太陽能電池的關鍵部件，需要有良好的導電性、透光性和合適的功函數，又希望有較好的柔性。石墨烯是目前采用的銦錫氧化物半導體薄膜的最好替代物。(3)氣體傳感器。石墨烯作為氣體傳感器有很大的優勢，它的靈敏度很高、噪聲很小，甚至被認為可作單分子氣體的檢測。而且它對NO2、NH3、H2O和CO等氣體都有非常好的檢測特性。這樣以后的海關也許就可以不用配備嗅覺敏銳的獵兔犬了。(4)超級電容器。隨著便攜式電子設備需求的增長，人們對超級電容器的性能提出了更高的要求。石墨烯具有好的導電性、大的比表面積、優異的柔韌性和機械性能，在水系和有機電解液中具有很高的比容量，是超級電容器電極的理想材料。將石墨烯和金屬氧化物、碳納米管和高分子組成復合物，制備超級電容器有著更為優越的性能，這也是當前的一個研究熱點。
此外，應當指出的是，研究石墨烯的力學特性及其表征方法、動力學行為等構成“石墨烯力學”的內容，例如確定石墨烯的強度、硬度等機械性能是我們力學工作者介入這個研究前沿并為之做出應有貢獻的重要方面。圖3-4是力學所國家重點實驗室LNM的課題組研究石墨烯的一個例子。他們通過分子動力學模擬發現：在碳納米管的輔助下單層石墨烯可以自發卷曲形成石墨卷，其形成只與碳納米管的直徑有關，而與二者的手性無關。那么多層石墨烯如何才能形成多層石墨卷，其形成又與哪些條件相關？范德華力在碳管/石墨烯系統的形成中起到什么作用？他們研究的初步結果表明：即使有碳納米管的輔助，由于雙層石墨烯彎曲剛度和相互作用都比較大，碳管與石墨烯直接的作用不足以使其完全卷曲形成雙層石墨卷。如果先通過碳納米管輔助形成單層石墨卷，然后再加入單層石墨烯進行自發卷曲，就可以形成多層石墨卷。當該石墨烯小于某個長度時，它會與第一層石墨卷的最外端進行結合，不能形成多層石墨卷。當其達到一定長度時，會自發在第一層石墨卷表面形成卷曲貼合，然后自發插入從而形成雙層石墨卷。圖3的結果說明了當第二層石墨烯長度較短時，它會與第一層石墨卷接合，但是無法插入。圖4的結果表明當第二層石墨烯達到一定長度后，會插入第一層石墨卷內，形成雙層石墨卷。
圖3. 石墨烯自卷曲過程模擬結果(第二層長度較短時)
圖4. 石墨烯自卷曲過程模擬結果(第二層長度足夠較長時)
最后，還要提到的是，由于成果需要經得起時間考驗，許多諾貝爾科學獎項都是在獲得成果十幾年、甚至幾十年后才頒發。而石墨烯研究獲得諾貝爾獎距材料的制備成功才6年時間，這使諾沃肖洛夫感到意外。聽到獲獎消息那天，他說：“今天早上聽說這個消息時，我非常驚喜，第一個想法就是奔到實驗室告訴整個研究團隊。”而海姆則表示：“我從沒想過獲諾貝爾獎，昨天晚上睡得很踏實”。海姆認為，獲得諾貝爾獎的有兩種人：一種是獲獎后就停止了研究，至此終老一生再無成果；一種是生怕別人認為他是偶然獲獎的，因此在工作上倍加努力。他說：“我愿意成為第二種人，當然我會像平常一樣走進辦公室，繼續努力工作，繼續平常生活。” 這才是一個科學家的氣質和風度。
(王柏懿撰文)
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