石墨烯在光电领域的应用

石墨烯及其应用前景

作者：高荣伟

来源：《少儿科技》2021年第08期

2004年，英國科学家在实验室中从石墨上剥离出石墨薄片，并重复操作，最终得到仅由一层碳原子构成的薄片，即石墨烯。

石墨烯是目前世界上最薄、最坚硬的纳米材料，厚度仅0.335纳米，相当于头发丝的二十万分之一，硬度却是同等规格钢材的200倍，被材料学家亲切地称为“黑金”。不仅如此，石墨烯还抗菌，有优良的透光性能。石墨烯的这些特性赋予了这种新材料独特的地位，受到了众多科学家的青睐，刚一面世，就引发了全球范围内的研究热潮。

就储藏量来看，中国拥有的石墨烯资源十分丰富。不仅如此，中国在石墨烯技术研发领域也处于领先地位，不仅开发了许多新用途，而且申请了为数众多的专利。据统计，当前中国石墨烯专利数量全球领先。

据媒体报道，中国“90后”学者曹原近年来因其在石墨烯领域的科研成果，屡屡登上全球顶尖学术期刊。2018年3月，《自然》连刊两篇论文，报道石墨烯超导的重大发现，第一作者就是曹原，他也成为该杂志创刊以来年龄最小的来自中国的第一作者。曹原发现，当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度时，会产生神奇的超导效应。曹原的发现解决了困扰物理界多年的难题，轰动了国际材料学界，开辟了凝聚态物理的全新领域。 2019年3月，天津大学封伟教授领导的科研团队经过不懈努力，通过含氟自由基切割单壁碳纳米管，在世界范围内首次制备出单层石墨烯纳米带。从技术角度讲，这是材料学界科研人员首次用一步法获得单层石墨烯纳米带。值得一提的是，这种制备方法的发现意味着中国科学家突破了西方数十年的技术封锁，意义非凡。

目前，世界上第一条规模化的石墨烯生产线已在中国诞生。中国石墨烯产业化应用不断取得突破，在世界领跑，产业格局初具雏形。不过，目前我国石墨烯产业发展面临着产业链上下游之间沟通不畅的问题，关键领域的核心技术有待进一步突破。

石墨烯材料的特点以及在各个领域中的应用

石墨烯是一种由碳原子构成的单层薄炭素材料，具有许多独特的特点和广泛的应用。以下是石墨烯材料的特点以及在各个领域中的应用。

特点：

1. 高强度和高硬度：石墨烯的强度比钢高200倍，硬度比金刚石高五倍。

2. 轻量和薄：石墨烯仅有一个原子层厚度，非常轻便。

3. 电子迁移速度快：电子在石墨烯中移动的速度非常快，是现有材料的几百倍。

4. 热稳定性好：石墨烯可以承受高温，不易熔化或分解。

5. 非常透明：石墨烯能够使90%的光线穿透，是目前已知的最透明的材料之一。

应用：

1. 电子学：石墨烯非常适合用于电子学领域，因为它的电子迁移速度非常快，在电子器件中能够提供更快的信号传输速度。例如，石墨烯可以用于制造晶体管、场效应晶体管和光电二极管等。

2. 医学：石墨烯可以用于制造医用传感器和医疗设备。例如，石墨烯传感器可以检测人体内某些化学物质的浓度，对于监测病情和治疗非常有用。

3. 能源：石墨烯还可以用于制造太阳能电池和储能器。例如，石墨烯太阳能电池可以将太阳能转换为电能，而石墨烯储能器可以在短时间内存储大量电能。

4. 环境保护：石墨烯可以用于净化和过滤水和空气。例如，石墨烯纳米过滤膜可以去除水中的杂质和污染物，而石墨烯纳米过滤器可以去除空气中的有害物质和颗粒物。

总之，石墨烯具有许多独特的特点和广泛的应用，在未来的科技领域中具有重要的发展前景。

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石墨烯的光电特性及应用

作者：孙玥

来源：《科技风》2017年第13期

摘要：石墨烯是纳米尺度的碳材料， 具有很大的比表面积、良好的导电性及优秀的机械性质等特性。这些性质使得这种材料在很多领域都有极高的应用前景，本文以石墨烯材料为综述对象，介绍了它的基本性质、光电学特性， 同时将对石墨烯在电子学领域中的发展前景进行展望，并提出一些个人观点及总结。

关键词： 石墨烯；光电学特性；应用；前景展望

一、石墨烯的基本性质

石墨烯是由单层的碳原子构成，所以它是地球上到目前为止已知的最薄的纳米材料[1]，由于石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，而且把剩下在p轨道上的一个电子形成大π键，π电子是能够任意转移的，所以优异的导电性能也是石墨烯的性能之一，它还是地球上电阻率最小的纳米材料，电阻率仅有约106Ω·cm 。在常温下，石墨烯中碳原子与碳原子之间的作用力非常强，即使周围的碳原子发生了移动，碳原子中的电子也不容易被影响，电子在石墨烯中移动时也不容易散射，迁移率可达2×105cm2/V·s[2]，硅的电子迁移率只有石墨烯的百分之一。

石墨烯的力学性能也是很好的，到目前为止，在所有人们知道的材料中，石墨烯的强度和硬度最高，它的晶体结构非常稳定。其抗拉强度和弹性模量分别为123GPa和1.09TPa。因此石墨烯可以作为一种二维增强相，在复合材料领域有很大的应用价值。

二、石墨烯材料主要特性

（一）石墨烯的电学性质

石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成，这种构成方式会多出一个p轨道的电子，从而形成大π键，π电子可以自由的移动，这赋予了石墨烯优异的电子学性能。石墨烯原子与原子之间的引力和排斥力都很强，在常温状态，石墨烯内部的电子很少会受到外部影响，电子在移动时不容易产生散射现象，迁移率是硅中电子的130倍，其电导率达到了106S/m，是常温下导电性最佳的材料。另外石墨烯还具有半金属特性，它的导带和价带之间有一部分是重叠的。利用这一特性，人们已经开始试着把石墨烯应用到高性能的场效应管中。现制造大面积的石墨烯薄膜的技术已经比较成熟，这加大了它在电子信息领域应用的可能性。石墨烯晶格具有六方对称性。

石墨烯透明导电薄膜的制备与应用

石墨烯是一种全新的材料，具有很多优异的物理和化学特性，如高导电性、高强度、高透明性等，被认为是未来高科技领域的主角。其中，石墨烯透明导电薄膜的研究和应用，引起了广泛关注。

一、石墨烯透明导电薄膜的制备方法

石墨烯透明导电薄膜的制备方法包括化学气相沉积法、机械剥离法、还原氧化石墨烯法等多种方式。其中，化学气相沉积法是最常用的一种方法。

1.化学气相沉积法

化学气相沉积法是利用热分解和气相沉积反应的方法制备石墨烯。在一个封闭的反应室中，通过可控的加热和对流运动，将石墨烯原料通过汽化的方式输入反应室，通过反应顶部的催化剂，反应生成石墨烯材料，最终在样品基板上沉积出一层石墨烯薄膜。

2.机械剥离法

机械剥离法是一种利用玻璃纸或胶带等材料将石墨烯从石墨中剥离的方法。通过将石墨样品放置在特定的基板上，然后用玻璃纸或胶带等材料将石墨烯层从石墨中拔出，最终形成石墨烯薄膜。

3.还原氧化石墨烯法

还原氧化石墨烯法是一种将氧化石墨烯还原为石墨烯的方法。通过将氧化石墨烯样品放置在还原剂中，对其进行处理，再将其加热处理，即可得到石墨烯薄膜。

二、石墨烯透明导电薄膜的应用领域

石墨烯透明导电薄膜具有很多的应用领域， 主要涵盖电子、光电、能源、传感等方面。

1.光电领域

在光电领域，石墨烯透明导电薄膜主要用于制作晶体管、显示设备、太阳能电池等。石墨烯透明导电薄膜具有高透明性和高导电性，可以大幅度提高显示装置的亮度和对比度，制成石墨烯透明导电薄膜的太阳能电池，可以将太阳能的转化效率提升。

2.传感领域

在传感领域，石墨烯透明导电薄膜主要用于制作生物传感器、气敏传感器等。石墨烯透明导电薄膜具有很强的化学稳定性和良好的生物相容性，因此可以用来制作生物传感器等相关仪器，在测量生命体征方面有着广泛的应用。

3.电子领域

在电子领域，石墨烯透明导电薄膜主要用于制作晶体管、高频谐振器等电子元器件，以及柔性显示器等电子产品。石墨烯的高导电性和高透明性使得其作为电子元器件的材料能够大幅度提升电子设备的性能。