方轩朗 

　　石墨烯（Graphene）是一种由单层碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的片状结构的新材料，是只有一个碳原子厚度的二维晶体材料。 

　　把石墨烯卷成圆筒形，就是一维的碳纳米管。把石墨烯堆起来，就成为三维的石墨。与金刚石一样，它们都是碳的大家庭成员。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，英国曼彻斯特大学的二位物理学家成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，从而证实它可以单独存在。这以后，制备石墨烯新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，把石墨烯及其广泛应用带入工业化生产领域已为时不远了。 因此，两人共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 

　　石墨烯的发现，之所以意义重大，是因为它创造了诸多“纪录”。 

　　----石墨烯是世上最薄的材料。 

　　石墨烯只有0.34纳米厚，十万层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径，人们用肉眼是看不见它的。 

　　----石墨烯是人类已知强度最高的物质。 

　　它比钻石还坚硬，单位重量的强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。 

　　哥伦比亚大学的物理学家用金刚石制成的探针测试石墨烯的承受能力，它们每100纳米距离上可承受的最大压力竟然达到了2.9微牛左右。这意味着，“如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品”。 

　　----石墨烯电阻率极低，电子迁移的速度极快。 

　　在石墨烯中，电子能够以极为高速地迁移，常温下其电子迁移率超过15000 cm²/V·s，迁移速率可达光速的三百分之一，远远高出其在碳纳米管以及硅、铜等传统半导体和导体中的速率。 

　　电子在石墨烯里边好像没有质量一样，运动速度非常快。因为有了电子能量不会被损耗的特点，使这种材料具有了非比寻常的优良特性。” 

　　----它的另一特性让材料学家更为惊喜，该材料几乎完全透光，透光率在97%以上。 

　　----它导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。它的这些神奇的特性使它有望在现代电子科技领域引发一轮革命。随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池等领域。 

　　----其中，透明电极的应用最引人注目。传统的电导电极应用的是氧化铟锡，而这种材料脆度较高，比较容易损毁。透光率也比较低。与之相比，石墨烯不仅更加坚硬，性能也更好。石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。平板电脑、手机等数码产品对大尺寸触摸屏日益增长的需求也为石墨烯的应用提供了广阔的市场。 

　　----用于集成电路芯片的候选材料。由于基本物理规律的物理极限，硅芯片迟早有一天会因为尺寸无法继续缩小而走向终结。而石墨烯与碳纳米管这对亲兄弟具有类似的性能，高的载流子迁移率以及热导，都成为了下一代集成电路芯片材料的候补对象。2012年，美国IBM公司成功研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路，使得石墨烯特殊的电学性能彰显出应用前景。 

　　----另一方面，新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。石墨烯太阳能技术的光电转换效率高达60%，是现有多晶硅太阳能技术的2倍。之前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可弯曲太阳能电池的成本。 

　　----美国加州大学洛杉矶分校的研究人员开发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器，该电容器不仅外形小巧，而且充电速度为普通电池的1000倍。这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。 

　　----应用方面最新的、也是最吸引人眼球的亮点是石墨烯电池。去年八月世界电动汽车之王特斯拉公司董事长宣告将推出续航里程为800公里的石墨烯聚合材料电池汽车。紧接着西班牙一家以工业规模生产石墨烯的Graphenano公司同西班牙科尔瓦多大学合作开发出首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场最好产品的三倍，用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到8分钟。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大瓶颈，石墨烯储能器件研制成功后，若能批量生产，则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。 

　　尽管看起来石墨烯有着美好的应用前景，但从实验室到市场还有许多路要走。作为工业技术，石墨烯还有许多尚未能克服的困难。首先，迄今为止所得到的石墨烯产品并不是完整的单晶，而是多晶的复合体。结果是石墨烯的优越性能大打折扣。所以，优质材料的制备技术是石墨烯应用的最大拦路虎。其次，石墨烯虽然是一良导体，但它在电子领域里有一致命的问题，它没有“带隙”，也就是说在价带和导带之间没有禁止电子跃迁的间隙，无法控制电子的运动，也就是无法开关。要取代硅基的晶体管，我们必须人工植入一个带隙。但这并不是一件容易的事。所以科学家们还需加倍努力，才能使它名副其实地才尽其用。