我科學(xué)家在石墨烯研究方面取得系列進(jìn)展
最近，在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部和中國(guó)科學(xué)院的資助下，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料研究部研究員成會(huì)明、任文才研究小組在石墨烯的控制制備、結(jié)構(gòu)表征與物性的研究方面取得了一系列新的進(jìn)展，相關(guān)的研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊上。
石墨烯（graphene）是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，是構(gòu)建其他維度碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨）的基本單元。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，可望在高性能納電子器件、復(fù)合材料、場(chǎng)發(fā)射材料、氣體傳感器及能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的晶體學(xué)質(zhì)量，石墨烯蘊(yùn)含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象，為量子電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的研究提供了理想的平臺(tái)，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值。因此，石墨烯迅速成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。
中國(guó)科學(xué)院金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料部的研究人員在石墨烯的研究方面取得的進(jìn)展主要包括以下三個(gè)方面。
可控制備出高質(zhì)量石墨烯。根據(jù)層數(shù)不同，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化，因此實(shí)現(xiàn)石墨烯層數(shù)的可控制備十分關(guān)鍵。與微機(jī)械剝離和外延生長(zhǎng)方法相比，化學(xué)剝離是一種有望實(shí)現(xiàn)石墨烯低成本宏量制備的有效方法，但所制備的石墨烯大多為單層、雙層和多層石墨烯的混合物?；趯?duì)化學(xué)剝離方法制備石墨烯過(guò)程的分析，他們提出了利用石墨原料的尺寸與結(jié)晶度不同來(lái)控制石墨烯層數(shù)的策略，宏量控制制備出單層、雙層和三層占優(yōu)的高質(zhì)量石墨烯，被審稿人認(rèn)為是“石墨烯研究和應(yīng)用的重大進(jìn)展”。為了進(jìn)一步提高化學(xué)剝離方法制備的石墨烯的質(zhì)量，他們根據(jù)氫電弧放電反應(yīng)溫度高、可實(shí)現(xiàn)快速加熱及原位還原的特點(diǎn)，采用電弧加熱膨脹解理石墨以去除含氧官能團(tuán)和愈合結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而提高了石墨烯的質(zhì)量。較普通快速加熱方法，采用氫電弧方法制備的石墨烯的抗氧化溫度提高了近100℃，導(dǎo)電率提高了近2個(gè)數(shù)量級(jí)。
提出了表征石墨烯結(jié)構(gòu)的新方法。石墨烯表征方法的建立是對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速有效表征、控制制備及應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。他們?cè)诜瓷渎视?jì)算的基礎(chǔ)上，引入色度學(xué)空間概念，提出了快速、準(zhǔn)確、無(wú)損表征石墨烯層數(shù)的總色差方法，解釋了只有在特定基底上石墨烯可見(jiàn)的原因，并利用該方法對(duì)基底和光源進(jìn)行了優(yōu)化，提出并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了更利于石墨烯光學(xué)表征的基底和光源，提高了光學(xué)表征的精度，為石墨烯層數(shù)的快速準(zhǔn)確表征、控制制備及物性研究奠定了基礎(chǔ)。
該論文被美國(guó)化學(xué)會(huì)的ACS Nano雜志選為該期“亮點(diǎn)”進(jìn)行了重點(diǎn)介紹；同時(shí)也被《自然—中國(guó)》選為來(lái)自中國(guó)大陸和香港的突出科研成果，《自然—中國(guó)》化學(xué)領(lǐng)域的評(píng)論員Vicki Cleave博士撰文寫(xiě)道：“來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的任文才、成會(huì)明及其合作者提出了一種快速、無(wú)損、可進(jìn)行大面積石墨烯表征的光學(xué)方法，該工作有助于確定和制備適于應(yīng)用的理想石墨烯樣品。”
此外，針對(duì)目前石墨烯拉曼光譜信號(hào)弱、難以對(duì)其精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征的難題，課題組還發(fā)明了一種增強(qiáng)的拉曼散射技術(shù)，不僅可提高石墨烯拉曼光譜的信號(hào)強(qiáng)度，而且可獲得普通拉曼光譜不能得到的石墨烯的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征。
在石墨烯的應(yīng)用方面，該實(shí)驗(yàn)室有研究人員在石墨烯宏量制備的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了石墨烯在場(chǎng)發(fā)射體、超級(jí)電容器、鋰離子電池和透明導(dǎo)電膜等方面的應(yīng)用探索。
為了充分發(fā)揮石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)，他們發(fā)展了電泳沉積方法制備出表面均勻致密且含有豐富邊界突起的單層石墨烯薄膜，實(shí)現(xiàn)了薄膜與基體間的良好接觸。研究表明，石墨烯薄膜具有與碳納米管薄膜相比擬的場(chǎng)發(fā)射特性：低的開(kāi)啟電場(chǎng)和閾值、良好的場(chǎng)發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性，展示了石墨烯在平板顯示等方面的應(yīng)用前景。
石墨烯可控制備和性能研究獲進(jìn)展
石墨烯具有原子級(jí)的厚度、優(yōu)異的電學(xué)性能、出色的化學(xué)穩(wěn)定性和熱力學(xué)穩(wěn)定性，這些性能使得石墨烯在未來(lái)納米電子學(xué)中具有重要的應(yīng)用前景，并已成為目前凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)石墨烯的最終應(yīng)用和深入研究，必須首先大規(guī)模制備石墨烯，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其形貌和組成的控制。因此，石墨烯的可控制備具有非常重要的意義。
在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院的大力支持下，化學(xué)所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，在石墨烯的可控制備研究方面取得系列進(jìn)展，有關(guān)研究成果申請(qǐng)了中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，并發(fā)表在相關(guān)的學(xué)術(shù)期刊上。
在前期工作中，研究人員探索了一種制備圖案化石墨烯的方法，通過(guò)圖案化的金屬層作為催化劑實(shí)現(xiàn)了石墨烯的圖案化生長(zhǎng)，并成功地將其應(yīng)用于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管電極 (Advanced Materials 2008, 20, 3289－3293)。
近期，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯組成的控制，成功地制備出了氮摻雜石墨烯 (Nano Letters 2009, 9, 1752－1758) 。摻雜是調(diào)控石墨烯電學(xué)性能的一種有效手段，摻雜石墨烯因其巨大的應(yīng)用前景已經(jīng)成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。然而，目前的研究還僅僅停留在理論上，實(shí)驗(yàn)上還很少有摻雜石墨烯的報(bào)道。有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員在化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的過(guò)程中通入氨氣作為氮源，得到了氮摻雜石墨烯樣品(圖1)，并對(duì)其電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)氮摻雜石墨烯顯示出 n 型導(dǎo)電特征，和理論研究的結(jié)果相吻合。
他們又利用模板法實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯形狀的控制，大規(guī)模地制備了石墨烯帶，并制備了石墨烯帶的納米機(jī)電原型器件(Journal of the American Chemical Society ，2009, 131, 11147－11154)。石墨烯常用的制備方法主要有機(jī)械剝離法、碳化硅熱分解法、溶液法、化學(xué)法等 ，然而這些方法制備出的石墨烯的形狀基本上都是無(wú)規(guī)的。大規(guī)模可控地合成具有規(guī)則形貌的石墨烯仍然是一個(gè)難題。他們采用硫化鋅納米帶作為模板，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法成功制備了形狀可控的石墨烯帶(圖2)。
這一系列研究進(jìn)展對(duì)于石墨烯的研究和應(yīng)用具有重要意義。（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所）
