碳纳米材料的研究进展

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1、word 碳纳米材料的研究进展 XX 大学 化学与分子科学学院摘要: 碳纳米材料是具有纳米尺寸的碳材料，它有纳米材料的特性如外表效应，并且已经在许多领域中有着广泛的应用，如新能源、高效的储存器与各种电子器件。由于碳元素在自然界中丰度大，相对质量小，化学与热力学性质稳定，所以在最近的二十年里碳材料在轻质、稳定结构材料方面有很广泛的应用。尤其像富勒烯、碳纳米管、石墨烯、碳纤维等碳纳米结构材料引起了科学家们的广泛关注。并且这些材料有可能为我们在新能源和高效的微电子器件方面带来革命性的突破。本文将通过最新的研究成果，介绍碳纳米材料在电学器件、光学器件、传感器件等方面的应用，比拟说明富勒烯，碳纳米管，石

2、墨烯等材料的潜在应用前景，并对未来石墨烯的研究中的挑战做综述性论述。关键词：碳纳米材料 开展趋势 新的研究成果 微电子器件 The development of carbon nanomaterialsYang LiCollege of chemistry and molecular, Wuhan universityAbstract:carbon nanomaterials materials, that is, carbon materials with a feature size on the nanometer scale and, in some cases, functional

3、izedsurfaces, already play an important role in a wide range ofemerging fields, such as the search for novel energy sources, efficientenergy storage, sustainable chemical technology, as well as organicelectronic materials. The high natural abundance of carbon, its low specificweight, as well as the

4、chemical and thermal robustness of thedifferent carbon allotropes have resulted in carbon ponentsbeing increasingly utilized in cheap, lightweight, anddurable high-performance materials over the past twodecades.1 In particular, carbon nanostructures such asfullerenes, carbon nanotubes (Ts), graphene

5、, and carbon fibers are famous.Furthermore, such materials might offer solutionsto the challenges associated with the on-going depletion of nonrenewableenergy resources or climate change, and they may promote further breakthroughs in the field of microelectronics.Here, we present an extensive review

6、 of carbon nanomaterials inelectronic, optoelectronic, photovoltaic, and sensing devices with a particular focus on the latest examplesbased on the highest purity samples. Specific attention is devoted to each class of carbon nanomaterial,thereby allowing parative analysis of the suitability of full

7、erenes, carbon nanotubes, and graphene foreach application area. In this manner, this article will provide guidance to future application developers andalso articulate the remaining research challenges confronting this field.Key wordscarbon nanomaterials development trend new research resultsmicroel

8、ectronics引言：碳元素是生命的骨架, 是人类最早接触并利用的元素之一碳元素的最大特点之一是存在众多的同素异形体, 如金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、卡拜等。金刚石和石墨属于块状材料，而富勒烯碳纳米管、石墨烯与卡拜等如此是低维碳纳米材料.继英国科学家 Kroto、美国科学家Smalley 和 Curl 3 人因发现富勒烯川而获得1996 年诺贝尔化学奖之后, 英国科学家 Novoselov 和 Geim 因成功制备了单原子层石墨烯，而被授予了2010年诺贝尔物理学奖.在发现C60 以前, 人们一直认为碳元素只有金刚石和石墨两种晶体结构。1985 年, 富勒烯的发现极大地拓展了人类

9、对碳材料的认识川。1991 年, 碳纳米管的发现如此是纳米科技和材料学史上的一个里程碑。 2004 年, 稳定单原子层石墨烯的成功别离推翻了热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在的认知, 震撼了整个物理学界。石墨烯是碳原子严密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳单质材料, 它是构筑零维富勒烯、准一维碳纳米管、三维体相石墨的“建材卡拜是sP 杂化轨道成键的一维碳原子链(carbon chain , C一chain ) , 它是真正的一维碳纳米材料, 其直径只有一个碳原子的大小.碳纳米材料具有独特的低维结构和奇异的电学、力学、机械特性以与量子尺寸效应, 并在新能源、环境、生物、医药、信息、航天和

10、微波吸收等领域展现出了许多优异的性能, 呈现出广阔的应用前景。现代纳米材料的研究主要围绕一维，二维碳纳米材料开展了大量制备、结构表征、物性与应用研究工作, 并且已经在高纯度高结晶性单壁碳纳米管( single一walled Ts ,SWTs ) 、双壁碳纳米管( double一walled TS,DWTs )的大量生产与应用, 具有量子效应的多壁碳纳米管( multi一walled Ts, MWT s )的合成, 碳纳米线(carbon nanowire s )的控制生长, 单根多壁碳纳米管，单根碳纳米线的拉曼光谱研究, 碳纳米墙car bon nanow al ls ) , 石墨烯的大量制备

11、等方面取得了可喜的成果。Fig. 1. Some allotropes of carbon exhibiting different dimensionalities.Except diamond (a), which is an sp3-bonded structure, other allotropes (b),(d)(f) are sp2 bonded and can be regarded as derivatives of 2-D graphene (c).(a) Three-dimensional diamond. (b) Three-dimensional graphite. (

12、c) Twodimensionalgraphene. (d) One-dimensional nanotube. (e) One-dimensionalnanoribbon. (f) Zero-dimensional fullerenes.1. 碳纳米管的研究进展 自从年Iijima，发现多壁碳纳米管以来，凭借优异的光学、电学和力学性能受到了广泛的关注，有关其制备和应用研究已经成为碳纳米材料领域的研究热点。目前，对于的研究除了对单根的性能研究外，更多集中在便于实际应用的大量的综合效应的研究上，即在由大量构成的二维和三维碳纳米材料的研究上。构成的纳米材料的结构和形貌与其潜在的应用价值有着严密的联

13、系。 图1构成的三维碳纳米材料的 图Fig.2.SEM images of three dimensional carbon nanometerials posed of carbon nanotubes.1.1 碳纳米管的光学性能2002年7月，赖斯大学的科学家在研究单壁碳纳米管时，首次观察到了碳纳米管在特定条件下发荧光的现象。韦斯曼领导的小组在此根底上进展了研究，进一步识别出了33种发光碳纳米管吸收和散发出的光所具有的不同波长。科学家们认为，光谱分析将是纳米研究的重要工具，因为它通过简单的测量就可揭示出碳纳米管样品的构成。Bonard等通过观察发现单壁碳纳米管的发光是从支撑碳纳米管的金针顶

14、附近发射的，并且发光强度随发射电流的增大而增强。多壁碳纳米管膜的发光位置是非均匀的，发光位置主要限制在面对着电极的薄膜局部，发光强度也是随着发射电流的增大而增强。分析认为电子在与场发射有关的两能级上的跃迁而导致碳纳米管的发光。1.2 碳纳米管的应用 碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料。由于其本身所拥有的潜在优越性，决定了它无论在物理、化学还是材料科学领域都将有重大的开展前景。CieniificaLtd咨询公司日前做出这样的预测，纳米管和纳米纤维市场需求将由2005年约1.737亿美元猛增到2010年的36.2亿美元，年均增速高达60%以上。Frost&Sullivan公司如此认为，仅碳纳

15、米管市场需求预计到2007年，就将达到5.4亿美元。随着生产技术进步，未来10年碳纳米管价格将大幅下降从而逐渐进入商业应用。1.3 碳纳米管作为复合材料的增强剂 碳纳米管的韧性好、结构稳定、具有极小的尺度与优异的力学性能，是理想的一维纳米增强、增韧材料。碳纳米管作为增强材料对提高金属的强度、硬度、摩擦、磨损性能与热稳定性的作用己有一些报道。丁志鹏等采用无压渗透法制备了碳纳米管增强铝基复合材料，并对其摩擦性能进展了研究。实验结果明确，碳纳米管均匀地分散于复合材料中且与铝基体结合良好;碳纳米管的参加增大了复合材料的硬度，且其摩擦系数和磨损率随着碳纳米管体积分数的增大而减小。由于碳纳米管本身具有自润

16、滑和增强作用，碳纳米管的参加极大地改善了铝合金材料的摩擦性能。1.4 微电子元件 碳纳米管最重要的潜在应用是在电子工业方面，尤其是在微电子产业中，由于以硅为根底的半导体器件无法持续地微小化，因此其工业开展将受其限制。许多研究者正在寻找一些可能替代的材料。1998年，荷兰Delft科技大学的Dekker研究小组在室温下用单根半导体型单壁碳纳米管做成了场效应晶体管，这种晶体管的性能超过硅晶体管的性能。碳纳米管具有高的氏模量和稳健性能，这些特性使其成为应用于扫描探针显微镜，如原子力显微镜等针尖的理想材料。碳纳米管的直径小长径比大，制成的显微镜探针比传统的si或从针尖的分辨率更高，探测的深度更深，而且

17、更有可以探测狭缝和深层次等优点。第一个碳纳米管显微镜探针针尖是由smalley等用手工制成。制备碳纳米管探针针尖的方法，除了将碳纳米管接到硅悬臂杆上外，也可以利用化学气相沉积方法在原子力显微镜针尖上直接生长碳纳米管针尖，这种方法克制了手工制作的缺点，有利于大规模生长。1.5 储能材料 碳纳米管由于其管道结构与多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，并是当前研究的热点。美国国家可再生能源实验室Dillon等采用程序控温脱附仪，在实验中发现单壁碳纳米管在13OK、.332又 300Pa条件下，储氢量为质量分数5%一10%；Ning等用多壁碳纳米管对氢的解吸进展了一系列实验。在室温下

18、，检验了几种预处理方法，氢的释放量都很低，质量分数不足0.3%；在温度77K时，多壁碳纳米管的氢气解吸量可以达到质量分数2.27%。通过实验明确:多壁碳纳米管中金属的含量和热处理方法，都将对氢气的解吸能力产生明显的影响，从而推断多壁碳纳米管不是一种理想的储氢材料;芙等用机械球磨的方法，使碳管的长度大幅度降低;同时碳管端口打开，缺陷增多，使外表积增大。在球磨的碳管中参加纳米级MgO，使碳纳米管储氢量达到了质量分数0.81%。目前，关于碳纳米管的储氢性能的研究，还是一个极具争议的话题，有些人认为碳纳米管储氢是一种比拟好的思路，但是也有人持异议。1.6 场发射材料场发射装置必须在比拟小的电场条件下产

19、生很大的电流，作为衡量场发射效应优劣的重要标志是开启电压要足够小。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率，在相比照拟低的电压下就能够发射大量的电子，因此，碳纳米管材料能够呈现出良好的场致发射特性，与此同时，碳纳米管还具有化学稳定性好，热导率高，机械强度高等优点，所以非常适合用作各种场致发射器件的阴极刀。用碳纳米管作发射阴极，可应用于场发射平面显示器、微波功率放大器和真空微三极管等电子器件，尤其在场发射平板显示器中的应用备受关注，不仅可以提高场发射平板显示器的性能而且可以大大降低显示器的制造本钱。2. 富勒烯的研究进展自1985 年发现富勒烯以来，我们的眼前展开了一个新的化学世界，其代表是C60与

20、C70。 它们均为具有独特的笼形结构的三维芳香化合物，其独特的分子立体构型属于Dsh点群对称性。 赋予了它们一些特殊的物理与化学性质，富勒烯的三维空间结构和众多的双键为富勒烯科学的开展提供了广阔的空间。 隐含了许多有待发现的新性质，新功能。它们的奇特特性也为材料科学，药物科学， 电子学和微电子学等的开展开辟了广阔的前景。在过去的几年中C60和它的衍生物的光化学和光物理性质得到了广泛的研究，发现了各种有意义的激发态性质和许多电子给体，如有机胺半导体胶体等可以把电子转移给C60的激发三重态，在溶液中C60光激发单重态几乎定量地经系间窜越到三重态， 当非光活性基团加成到C60分子上后，系间窜越会稍稍

21、地减慢，而且随加成基团数目的增多而变得愈加明显，而当把光活性分子与C60共价相连时，观测到分子的电子转移如此是从激发态的光活性分子到C60的激发单重态，近几年来报道了各种共价键连接的富勒烯，发色团，组装体系，并对光诱导电子转移与能量转移进展了研究， 在溶液状态下通过对共价键连接的富勒烯与二茂铁基二元体系的皮秒分辨光解过程的分析明确 ，其中存在着富勒烯激发单重态的分子淬灭， 并导致电荷别离自由对的形成。同样，在一系列卟啉. 富勒烯光活性二元体系中均观察到了光致电荷别离以与电荷复合现象。富勒烯聚合物化学随着富勒烯化学的深入开展，对富勒烯聚合物材料的研究也成为科学家们关注的新领域，通过有机聚合反响，

22、得到了大量具有不同结构的C60 表现出不同功能的富勒烯高分子衍生物。 富勒烯高分子聚合物既保存了C60的特殊性质，又结合了高分子的物理化学性质和性能，大大地改善了高聚物性质的单一性与物理上的加工性能。具有巨大的应用潜力。C60有机聚合物主要有以下几类， R 1s C60分子在聚合物链中作为一个分子分散整体 聚集粒子 从而与聚合物结合在一起，C60在聚合物侧链作为接枝局部； T B S C60作为星状发射的聚合物的中心；T I SC60 作为网状聚合物的交联剂以C60为核形成星状聚合物。 这些基于C60的有机聚合物结构如图3，所示,到目前为止，已报道了多种把C60联接到聚合物末端支链官能基团上的

23、方法。 如用有机锂和格氏试剂等亲核试剂和分子发生亲核加成反响。 以偶氮二异丁腈为引发剂与苯乙烯或者甲基丙稀酸甲酯发生自由基聚合 在甲苯溶液能够较顺利地和聚合物链上的伯胺或仲胺发生反响得到含有单元的聚合物。 利用叠氮基团联接合成。聚对苯乙烯富勒烯笼状分子通过自身共价联接形成聚合物体系也有较多报道。 由于C60具有较高的电子亲和能，易于通过电荷转移形成阴离子，能作为有机分子和导电高分子的电子受体，是优良的导电高分子的掺杂剂。通过掺杂， 导电高分子在光电性能上会发生很大的变化。对C60 高分子复合物的实验显示%存在着从高分子到C60分子之间的超快速的; 低于皮秒 光致电荷转移% 从而形成亚稳态的&.

24、 3阴离子和在高分子骨架上移动的空穴，在C60 共轭高分子体系中C60分子能够吸收长波长围的光，是光导性的敏化剂。 但在短波长处，光被近于外表的高分子所吸收，在这种情形下，高分子的某个电子被激发到高于C60的最低激发态的能级上，因而导致电荷转移到C60上。 这种电荷转移，提高了空穴沿高分子链的传输。C60掺杂到导电高分子中，有两种情况：一是两者形成有效掺杂，吸收光谱发生显著变化， 导电性有所加强； 二是基态下的非有效掺杂，吸收光谱不发生变化，光电导性明显加强。首次报道了用C60与C60的混合物掺杂9 : 1呈现非常好的光电导性能与其用于静电印刷的潜在可能性。用重量比 的C60掺杂9 : 1.

25、其电荷产生效率在波长处增加到3 倍。 在 处增加了C 倍。C60 高分子复合物体系中的高分子与C60间的电荷转移可应用于光导(光伏打电池以与发光二极管等光电器件。通过深入研究，人们可了解到有机分子激发态的光物理与光化学行为。更为有意义的是将可能为进一步了解光合作用的机理提供实验与理论依据。近几年来， 人们对有机光伏打电池的研究显示出浓厚的兴趣。用纯的共轭高分子制备的光伏打电池的能量转化效率非常低，在之间没有实用价值在聚对苯撑乙烯以与C60聚噻吩复合体系中。共轭聚合物的荧光由于C60的存在而被淬灭。 明确从激发态发生的电荷别离速度非常快，发生在皮秒级。 而实验发现存在高分子与C60间的高效光诱导

26、的电荷转移。使构建高能量转化率的太阳能电池成为可能。 用较纯的共轭高分子体系制备的高分子光伏打电这是迄今为止富勒烯最典型的应用之一。图.3.富勒烯聚合物的分类3. 石墨烯的研究进展人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。石墨烯Graphene的理论研究已有60 多年的历史。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至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别离出石墨烯，而证实它可以单独存在

27、，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验而共同获得2010 年诺贝尔物理学奖。近年来, 电子产业如计算机、通信、自动化等的高速开展给人们的生活带来了巨大的便利, 电子器件微型化的同时性能也越来越好。在此过程中单晶硅材料发挥了巨大作用, 但随着器件尺寸的不断缩小, 极限问题随之出现, 如特征线宽的缩小和芯片集成度的提高到底有没有限制? 一方面, 工艺上再也达不到更窄的线宽, 主要表现在光刻精度的问题; 另一方面, 集成器件的尺寸不断缩小, 一些物理效应将影响器件的正常工作, 最终导致失效。那么, 为了克制这一瓶颈, 是否存在更好的电子器件材料来代替单晶硅呢? 当碳纳米管被广泛研究时, 人们设想可

28、以用碳纳米管来代替硅。可是, 合成碳纳米管的本钱较高。2004 年, 二维结构石墨烯的发现推翻了热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在的认知, 震撼了整个物理界，它的发现者英国曼切斯特大学物理和天文学系的Geim和Novoselov 也因此获得了2008 年诺贝尔物理学奖的提名。与碳纳米管相比, 石墨烯有完美的杂化结构, 大的共轭体系使其电子传输能力很强, 而且合成石墨烯的原料是石墨, 价格低廉, 这明确石墨烯在应用方面将优于碳纳米管。与硅相比, 石墨烯同样具有独特优势: 硅基的微计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作, 然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力, 所产生的热量也

29、非常少。另外, 石墨烯本身就是一个良好的导热体, 可以很快地散发热量。由于具有优异的性能, 如果由石墨烯制造电子产品, 如此运行的速度可以得到大幅提高。速度还不是石墨烯的唯一优点。硅不能分割成小于10 nm的小片, 否如此其将失去诱人的电子性能; 与硅相比, 石墨烯被分割时其根本物理性能并不改变, 而且其电子性能还有可能异常发挥。因而, 当硅无法再分割得更小时,比硅还小的石墨烯可继续维持摩尔定律, 从而极有可能成为硅的替代品推动微电子技术继续向前开展。因此, 石墨烯奇特的物理、化学性质, 也激起了物理、化学、材料等领域科学家极大的兴趣。自2004 年之后, 关于石墨烯的研究报道如雨后春笋般涌现

30、, 在Science、Nature 上相关报道就有400 余篇,又一场碳化学的革命正在悄然兴起。Figure 4. Graphene: the parent of all graphitic forms. (From Ref. 1a.)Figure 3Ambipolar electric fi eld effect in single-layer graphene.至今为止，已发现石墨烯具有非凡的物理与电学性质，如高比外表积、高导电性、机械强度高、易于修饰与大规模生产等。石墨烯是零带隙半导体，有着独特的载流子特性，为相对论力学现象的研究提供了一条重要途径；电子在石墨烯中传输的阻力很小，在亚微米

31、距离移动时没有散射，具有很好的电子传输性质；石墨烯韧性好，有实验明确，它们每100nm 距离上承受的最大压力可达2.9 N，是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一。石墨烯特有的能带结构使空穴和电子相互别离，导致了新电子传导现象的产生，如量子干预效应、不规如此量子霍尔效应等。Novoselov 等观察到石墨烯具有室温量子霍耳效应，使原有的温度围扩大了10 倍。石墨烯在很多方面具备超越现有材料的特性，具体如图5所示，日本企业的一名技术人员形容单层石墨碳材料“石墨烯是“神仙创造的材料。石墨烯的出现，有望从构造材料到用于电子器件的功能性材料等广泛领域引发材料革命。 图. 5 “神奇材料石墨烯的特点二维

32、的石墨烯本身是半金属性，或者说是零带隙的半导体，同时具有金属和半导体的一些特性。而当石墨烯的尺寸达到跟单壁碳纳米管一样的准一维时又称为石墨烯纳米带，同样也会根据石墨烯带的宽度和边缘结构的不同而表现出金属性或者半导体性。紧束缚计算明确锯齿状边缘的石墨烯带总是呈现出金属性，而扶手椅状边缘的石墨烯带如此可能呈现金属性或者半导体性，主要取决于石墨烯带的宽度。而密度泛函理论的计算与实验结果进一步明确半导体性的石墨烯纳米带的带隙与纳米带的宽度成反比。因此石墨烯纳米带与单壁碳纳米管有着极为相似的电学性质。Fig.6 energy band structure for graphene 3.2 研究与应用现状

33、 单层石墨烯的成功制备，引发了新的碳质材料的研究热潮。石墨烯纳米晶体管的成功制备预示了石墨烯是未来纳米电子器件极有前景的材料。与此同时，对石墨烯的力学性能等根底和应用研究，也是前沿科学家的研究热点之一。随着碳材料性能的不断改良，使得其逐渐成为能源领域的主导。3.2.1 石墨烯制备方法现状 据纽约时报报道，韩国科学家在制备大尺寸、高质量的石墨烯薄膜方面取得重大突破，发现了一种制备大尺寸石墨烯薄膜的方法。韩国成均馆大学洪秉熙领导的一个研究组生产出了高纯度石墨烯薄膜，还把它们贴在透明可弯曲的聚合物上，制成了一个透明电极这算得上是化学气相沉积法制造石墨烯迄今取得的最大成就之一。经过改良之后，这种电极可

34、以取代显示器上现在所使用的透明电极，价格却比现在通常用氧化铟制成的电极廉价得多。美国加州大学洛杉矶分校研究人员开发了制造石墨烯和碳纳米管混合材料的新方法，该混合材料有望作为太阳能薄膜电池和家用电器设备的透明导体，比现在使用的具有一样功能的其他材料更具柔软性且价格更低。加州大学洛杉矶分校研究团队通过实验制做出一种新型的石墨烯纳米结构介孔石墨烯。孔间石墨烯的宽度最小可以达到5nm。介孔石墨烯可以用于大规模生产以介孔石墨烯为根底的半导体集成电路。美国科学家使用普通的蔗糖制造出了纯净的石墨烯，用这种石墨烯可以研制出更轻、更快、更廉价、更紧实柔韧的计算机电子设备，可广泛运用于军用飞机和医疗领域。2009

35、 年11 月日本东北大学与会津大学通过合作研究发现，石墨烯可产生太赫兹光的电磁波。研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜，将红外线照射到石墨烯薄膜上，只需很短时间就能放射出太赫兹光。如果今后能够继续改良技术，使光源强度进一步增大，将开发出高性能的激光器。2009 年12 月1 日在美国召开的材料科学国际会议上，日本富士通研究所宣布，他们用石墨烯制作出了几千个晶体管。富士通研究所的研究人员将原料气体吹向事先涂有用做催化剂的铁的衬底，在这种衬底上制成大面积石墨烯薄膜。目前，石墨烯的研究开始转入如何降低本钱并大规模制备方面，石墨烯的具体应用方面的研究同时也在广泛展开，对于石墨烯作为电极材料，在电化学电容

36、器EC 中的应用，已经显示出了良好的性能与使用前景3.2.2 石墨烯的应用1可做“太空电梯缆线石墨烯不仅可用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3 万英里长太空电梯成为现实。研究人员表示，如果这种方法被证明可用以成批制造石墨烯光纤，将能降低超巩固炭素复合材料的本钱，炭素复合材料在航空航天、汽车和建筑等领域具有广泛的用途。2代替硅生产电子产品硅让我们迈入了数字化时代，但研究人员仍然渴望找到一些新材料，让集成电路更小、更快、更廉价。在众多的备选材料中，石墨烯最引人瞩目。石墨烯值得炫耀的优点有很多，比如超高强度、透光性(因为极薄)和超强导电性，这让它成为

37、了制造可弯曲显示设备和超高速电子器件的理想材料。石墨烯如今已经出现在新型晶体管、存储器和其他器件的原型样品当中。国际商业机器公司IBM已研制出运行速度最快的石墨烯晶体管，IBM 公司于2010 年12 月发布了其与美国麻省理工学院MIT的共同研究成果在SiC 基板上形成的栅长240nm 的石墨烯场效应晶体管FET，并验证其截止频率为230GHz。石墨烯通过热处理SiC 基板而成膜。IBM表示，计划将其应用于高频RF 元件。Rice 大学研究人员正在着手研究一类存储单元密度至少为闪存两倍的石墨烯片状存储器。石墨烯是由没有卷成纳米管的纯炭原子薄膜构成，此次Rice 大学研究人员首次将石墨烯用于架构

38、更简单的双端存储器件。科学家发现，石墨烯还是目前导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的开展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。3光子传感器石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，用于检测光纤中携带的信息。现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代

39、似乎就要完毕。去年10 月，IBM 的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。英法研制出超快锁模石墨烯激光器。英国剑桥大学与法国R 的研究人员已经制造出超快锁模(Mode-locked)石墨烯激光器。由于石墨烯为零能隙的半导体，这项研究成果不仅令人意外，而且显示了石墨烯在光电器件上大有可为。4纳电子器件 石墨烯是纳米电路的理想材料，也是验证量子效应的理想材料。但是由于完整的石墨烯根本没有带隙，极大地限制了它在半导体器件上的应用，所以为石墨烯开启一个带隙，是一件非常重要的课题。近来，研究明确，一维尺度受限的石墨烯纳米带具有一定

40、的带隙，可以获得高性能的晶体场效应管，增加芯片速度与效能、降低耗热量。然而，制备宽度小于10nm 的石墨烯纳米带是非常困难的问题。在纳电子器件方面石墨烯的可能应用包括：电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管；进一减小器件开关时间，THz 超高频率的操作响应特性；探索单电子器件在同一片石墨烯上集成整个电路。2009 年BASF 与沃尔贝克材料公司决定对石墨烯复合材料的开发进展合作研究。BASF 和沃尔贝克公司开发了高传导石墨烯用于导电涂层。两个单位的联合研究将为石墨烯在电子工业应用的商业化铺平道路。它是一种性能优异的半导体材料，是将来应用于纳米电子器件最具希望的材料。据美国物理学家组织网201

41、0 年6 月 10 日报道，美国科研人员利用石墨烯制造纳米电路领域取得突破性进展。设计出了简便、快速的纳米电线制造方法，能够调谐石墨烯的电学特征，使氧化石墨烯从绝缘物质变成导电物质。美国曼彻斯特大学的研究人员用石墨烯制成了分子级电子电路。石墨烯可以被刻成拥有单个晶体管的电子电路，其尺寸不比分子大多少，晶体管尺寸越小，其功能越强。研究人员还表示，从氧化石墨烯到石墨烯的简单转换是制造导电性纳米线的重要途径，其不仅可应用于软性电子学领域，还有望用于生产与生物兼容的石墨烯电线，可被用于测量单个生物细胞的电子信号。5优良的太阳能电池 因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。透明的

42、石墨烯薄膜可制成优良的太阳能电池。美国鲁特格大学开发出一种制造透明石墨烯薄膜的技术，这是一种几厘米宽、l5nm 厚的薄膜。石墨烯薄膜是一种平坦的单原子碳薄，可用于取代透明导电的ITO 电极用于有机太阳能电池。这些薄膜还用于取代显示屏中的硅薄膜晶体管。石墨烯运送电子的速度比硅快几十倍，因而用石墨烯制成的晶体管工作得更快、更省电。美国南加州大学的研究人员开发了一种柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有机太阳电池。6其它美国伦斯勒理工学院的研究者最近发表的三项新研究成果明确石墨烯应该用于制造风力涡轮机和飞机机翼的增强复合材料。石墨烯可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体，可制成具有精细结构的电子元件，

43、应用于电池电容器，即使在生物技术方面也可得到应用。2010 年，美国莱斯大学利用该石墨烯量子点，制作单分子传感器。莱斯大学将石墨烯薄片与单层氦键合，形成石墨烷。氦使导电的石墨烯变换成为绝缘的石墨烷。研究人员移除石墨烯薄片两面的氦原子岛，就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱。该导电的石墨烯阱就可作为量子阱。量子点的半导体特性要优于体硅材料器件。这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。此外，由于原子尺度的厚度，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与电学性能对外场敏感等特性，石墨烯还可望在场发射材料、量子计算机以与超灵敏传感器

44、等领域得到广泛的应用。如Schedin 等利用石墨烯制成了第一个可以准确探测单个气体的化学传感器，极大的提高了微量气体快速检测的灵敏性。研究还发现，高灵敏性来自于石墨烯电学上的噪声特性，因此还可用于外加电荷、磁场与机械应力等的敏感检测。展望19 世纪可称作铁的时代, 刚刚过去的20 世纪被人们称为硅的时代, 而富勒烯，碳纳米管和石墨烯3 种碳纳米材料的相继发现与其奇特物化性质的揭示,让许多人惊呼碳时代的到来。碳纳米管，石墨烯等碳纳米材料在未来替代硅的巨大潜力, 与其在新能源、航天、军事等领域中的应用前景,使科技界，工商界以与各国政府极为兴奋。如石墨烯的导电性好, 有望代替硅生产超级计算机， 它

45、的质量轻、强度高, 不仅可用来开发出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣, 甚至能让科学家梦寐以求的213 万英里长的太空电梯成为现实。然而, 要想使石墨烯材料产品化, 真正为人们所用, 必须能够得到大面积、高质量的石墨烯。虽然科学家已经在此方面做了很多努力, 但仍无法实现其工业生产, 因而, 关于石墨烯的合成方法研究仍是一个研究热点。此外, 科学家们将更多关注如何通过化学的方法对其进展修饰, 进一步提高其各方面性能, 促进器件化、工业化、商品化的进程。随着研究的不断深人, 碳纳米材料在人类生产和生活中显示出越来越重要的不可替代的地位。仅仅相隔14 年,碳的同素异形体就分别获得诺贝尔化学奖

46、和物理学奖, 不禁让我们期盼有更多的碳明星分子出现。我们的生活会因碳纳米材料的广泛应用而改变, 我们的未来也会因新的碳明星分子的发现和实际应用而变得更加光明。参考文献1关磊.碳纳米管构成的二维和三维碳纳米材料的研究进展J.材料导报,2011,05:114-118+129.2文毓,全识俊.石墨烯应用研究进展J.传感器世界,2011,05:6-11.3新洛,郁黎明,盛雷梅,.碳纳米材料的制备与应用J.大学学报(自然科学版),2011,04:438-446.4欣欣,王小平,王丽军,怀辉,梅翠玉,晓菲,灿,梁鹏飞,卢炎聪,江振兴,凯麟,仁杰.石墨烯的研究进展J.材料导报,2011,23:92-97.5

47、留群,光辉,春林,金江彬.从碳纳米管到石墨烯浅谈碳纳米材料的研究进展J.材料导报,2011,S2:115-117+124.6关磊.三维碳纳米材料的研究进展J.功能材料与器件学报,2012,04:267-271.7峻.一维碳纳米材料与二氧化钛纳米材料的可控制备、表征与性能研究D.大学,2011.8徐秀娟,秦金贵,振.石墨烯研究进展J.化学进展,2009,12:2559-2567.9代波,邵晓萍,马拥军,裴重华.新型碳材料石墨烯的研究进展J.材料导报,2010,03:17-21.10康永,柴秀娟.纳米材料的性能与研究进展J.西部皮革,2010,15:33-39.11董西慧.一维碳纳米材料的制备与其应用研究D.大学,2008.1玉良,辉彪,朱道本. 富勒烯科学的假如干研究进展J. 科技导报,2004,10:22-27+37.15 / 15