石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料（如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨）的基本单元。石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，可望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量，石墨烯蕴含了丰富而新奇的物理现象，为量子电动力学现象的研究提供了理想的平台，具有重要的理论研究价值。因此，石墨烯迅速成为材料科学和凝聚态物理领域近年来的研究热点。

 

最近，中科院金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部成会明、任文才带领研究生在石墨烯的控制制备、结构表征与物性的研究方面取得了一系列新的进展，主要包括：

 

（一） 可控制备出高质量石墨烯。根据层数不同，石墨烯的电子结构会发生显著变化，因此实现石墨烯层数的可控制备十分关键。与微机械剥离和外延生长方法相比，化学剥离是一种有望实现石墨烯低成本宏量制备的有效方法，但所制备的石墨烯大多为单层、双层和多层石墨烯的混合物。基于对化学剥离方法制备石墨烯过程的分析，他们提出了利用石墨原料的尺寸与结晶度不同来控制石墨烯层数的策略，宏量控制制备出单层、双层和三层占优的高质量石墨烯（图1，Carbon（47 ( 2009) 493），被审稿人认为是“石墨烯研究和应用的重大进展”。为了进一步提高化学剥离方法制备的石墨烯的质量，他们根据氢电弧放电反应温度高、可实现快速加热及原位还原的特点，采用电弧加热膨胀解理石墨以去除含氧官能团和愈合结构缺陷，进而提高了石墨烯的质量。较普通快速加热方法，采用氢电弧方法制备的石墨烯的抗氧化温度提高了近100°C，导电率提高了近2个数量级，可达2*103S/cm（《美国化学学会－纳米》（ACS Nano 3 (2009) 411-417））。

 

（二） 提出了表征石墨烯结构的新方法。石墨烯表征方法的建立是对其结构进行快速有效表征、控制制备及应用的前提和基础。他们在反射率计算的基础上，引入色度学空间概念，提出了快速、准确、无损表征石墨烯层数的总色差方法，解释了只有在特定基底上石墨烯可见的原因，并利用该方法对基底和光源进行了优化，提出并实验证实了更利于石墨烯光学表征的基底和光源，提高了光学表征的精度，为石墨烯层数的快速准确表征、控制制备及物性研究奠定了基础（图2，ACS Nano 2 (2008) 1625-1633）。论文发表后被《ACS Nano》杂志选为该期“亮点”进行了重点介绍；同时也被《Nature China》选为来自中国大陆和香港的突出科研成果，Vicki Cleave博士撰文写道：“来自中国科学院的任文才、成会明及其合作者提出了一种快速、无损、可进行大面积石墨烯表征的光学方法，该工作有助于确定和制备适于应用的理想石墨烯样品”。此外，针对目前石墨烯拉曼光谱信号弱、难以对其精细结构进行表征的难题，他们还发明了一种增强的拉曼散射技术，不仅可提高石墨烯拉曼光谱的信号强度，而且可获得普通拉曼光谱不能得到的石墨烯的精细结构特征。

 

（三） 开展了石墨烯的应用探索。在石墨烯宏量制备的基础上，他们开展了石墨烯在场发射体、超级电容器、锂离子电池和透明导电膜等方面的应用探索。由于具有单原子厚度、优异的电学与力学特性以及丰富的边界结构等特征，故石墨烯是一种理想的场发射材料，但石墨烯宏量制备和组装技术的缺乏制约了其在场发射方面的应用。为了充分发挥石墨烯的结构和性能优势，他们发展了电泳沉积方法制备出表面均匀致密且含有丰富边界突起的单层石墨烯薄膜，实现了薄膜与基体间的良好接触。研究表明，石墨烯薄膜具有与碳纳米管薄膜相比拟的场发射特性：低的开启电场和阈值、良好的场发射稳定性和均匀性，展示了石墨烯在平板显示等方面的应用前景（图3，Advanced Materials 21 (2009): DOI: 10.1002/adma.200802560, online）。审稿人认为“作者实验证实了石墨烯单原子厚度的边界可有效增强电场、降低场发射开启电场，是一项重要的科学发现”。他们还结合石墨烯纸易于制备且具有良好力学性能的特点，正全力拓展其应用空间。

 

这些工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的资助。（来源：中国科学院金属研究所）