纳米材料前沿--石墨烯：从基础到应用

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带剥离法成功地从石墨中剥离出石墨烯。2010年两人共同获得诺贝尔物理学奖，这在诺贝尔授奖史上是比较迅速的。石墨是块状晶体材料，石墨烯是二维单层原子晶体材料，两者化学组成相同，就其物质本身而言，石墨烯并不是一种新物质，两者的根本区别在于厚度不同。另外，在做扫描隧道显微镜实验时，为了得到干净的表面，即用胶带剥离高取向的石墨，所以胶带剥离法也不是新方法。那么为什么海姆和诺沃肖洛夫教授能凭借石墨烯获得诺贝尔奖？这值得我们深思。究其原因主要有三个。首先，观念上有突破。经典的二维晶体理论认为：准二维晶体材料由于其本身的热力学扰动，在常温常压下会迅速分解从而不能稳定存在。海姆和诺沃肖洛夫教授从实验上证明二维晶体材料在常温常压下能稳定存在，突破了传统观念。其次，石墨烯独一无二的性能。石墨烯具有许多优异的性能，迄今为止，有些性能仍是独一无二的。如：高强度，石墨烯的强度比金刚石还高（杨氏模量1100GPa，断裂强度125GPa），比世界上好的钢铁高100倍；高透明性，单层石墨烯的透光度97.7%，几乎完全透明；高导热性，热导率5000W·m–1·K–1，是铜的10倍；高载流子迁移率，室温载流子迁移率200000cm2·V–1·s–1，是单晶硅的100倍。由于石墨烯的高载流子迁移率，石墨烯基场效应晶体管的截止频率高达400GHz，所以有学者认为：“碳电子学”有可能取代“硅电子学”，从而开创电子学的新时代，这是第三个原因。认真思考石墨烯的发现及海姆和诺沃肖洛夫教授凭此获得诺贝尔奖的原因，对我们如何做开拓性、高水平的研究，乃至如何评价研究成果，不无启发和领悟。

除了上述独一无二的性能外，石墨烯还具有高比表面积（2630m2·g–1）、高载流子浓度（1013cm–2）和高的环境、化学、热稳定性。石墨烯是目前已发现的轻、薄、强度、导电性和导热性好的材料。石墨烯的这些优异性能一方面激发了人们的研究热情，另一方面掀起了应用开发和产业化的热潮。无论何种材料，其基本的两个属性：一是能“成材”，如石材、钢材和塑材等；二是能“赚钱”。因此，一些基于石墨烯、含石墨烯或石墨烯改性的展品或产品已面世，如触摸屏、导静电轮胎、导电油墨、移动电源、取暖器、散热器、功能涂料、复合材料和润滑剂等。中国是石墨烯资源大国，也是石墨烯研究和应用开发活跃的国家之一。预计2020年全球石墨烯市场将达到1000亿美元，其中，我国的石墨烯市场将占据50%以上的份额，在全球市场上占据主导地位，实现石墨烯“开花在英国”“结果在中国”的国家目标。

受如此大好形势的鼓舞和推动，我们编著了《石墨烯：从基础到应用》一书。本书共分9章。第1章由耿德超博士撰写，介绍了石墨烯的基础知识，包括发现历史，结构、性能和表征手段。第2章由张涛、卢文静、韩江丽、刘津欣和付磊教授撰写，总结了石墨烯的各种制备方法，包括剥离法、SiC外延生长法、电弧放电法、氧化还原法、化学气相沉积法、偏析生长法和自下而上合成法，并对各种制备方法的优缺点进行了评述。第3章由王西鸾副教授和石高全教授撰写，概述了石墨烯化学，包括石墨烯的功能化、化学掺杂、光化学、催化化学和超分子化学。第4章由魏大程教授和蔡智撰写，首先介绍了石墨烯的基本电学性质，接着阐述了电学性能的调控方法，然后介绍了石墨烯在电学器件方面的应用。第5章由李绍娟、沐浩然、王玉生、飞、薛运周和鲍桥梁教授撰写，首先介绍了石墨烯的线性、非线性光学性质；然后重点综述了石墨烯的各种光学原型器件，包括激光器、光调制器、光偏振器和光探测器；后介绍了石墨烯表面等离子体的基础知识、观测方法和应用。第6章由夏庆林教授撰写，概述了石墨烯的磁学性质。第7章由苗力孝、孔德斌和智林杰研究员撰写，简要评述了石墨烯基复合材料在五个方面的应用，包括电学复合材料、光学复合材料、生物复合材料、力学热学复合材料和石墨烯基复合材料在其他领域中的应用。第8章由张哲野博士、肖菲副教授和王帅教授撰写，展示了石墨烯作为能源材料的特点和优势以及在超级电容器、二次电池、燃料电池、太阳能电池和储氢等方面的应用前景。第9章由赵增华和王钰研究员撰写，从工业应用的角度评述了石墨烯在功能材料、能量存储与转换和环境监测与治理三个方面的应用前景。虽机遇与风险并存，但前途光明。

中国科学院院士、北京大学刘忠范教授在百忙之中欣然为本书作序，为本书增色不少，我们非常感激。

石墨烯的基础研究和应用开发发展十分迅速，新的知识、成果不断涌现，文献资料指数式增加，由于编著者的水平有限，书中难免有不妥之处，恳请专家和读者批评指正！

刘云圻

2017年3月