中科院金屬所: 石墨烯控制制備、結構表征與物性研究系列進展
石墨烯（graphene）是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質新材料，是構建其它維度碳質材料（如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨）的基本單元。石墨烯具有優異的電學、熱學和力學性能，可望在高性能納電子器件、復合材料、場發射材料、氣體傳感器及能量存儲等領域獲得廣泛應用。由于其獨特的二維結構和優異的晶體學質量，石墨烯蘊含了豐富而新奇的物理現象，為量子電動力學現象的研究提供了理想的平臺，具有重要的理論研究價值。因此，石墨烯迅速成為材料科學和凝聚態物理領域近年來的研究熱點。
最近，中科院金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室先進炭材料研究部成會明、任文才帶領研究生在石墨烯的控制制備、結構表征與物性的研究方面取得了一系列新的進展，主要包括：
（一） 可控制備出高質量石墨烯。根據層數不同，石墨烯的電子結構會發生顯著變化，因此實現石墨烯層數的可控制備十分關鍵。與微機械剝離和外延生長方法相比，化學剝離是一種有望實現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。基于對化學剝離方法制備石墨烯過程的分析，他們提出了利用石墨原料的尺寸與結晶度不同來控制石墨烯層數的策略，宏量控制制備出單層、雙層和三層占優的高質量石墨烯（圖1，Carbon（47 ( 2009) 493），被審稿人認為是“石墨烯研究和應用的重大進展”。為了進一步提高化學剝離方法制備的石墨烯的質量，他們根據氫電弧放電反應溫度高、可實現快速加熱及原位還原的特點，采用電弧加熱膨脹解理石墨以去除含氧官能團和愈合結構缺陷，進而提高了石墨烯的質量。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°C，導電率提高了近2個數量級，可達2*103S/cm（《美國化學學會－納米》（ACS Nano 3 (2009) 411-417））。
圖1 石墨烯的層數可控制備
（二） 提出了表征石墨烯結構的新方法。石墨烯表征方法的建立是對其結構進行快速有效表征、控制制備及應用的前提和基礎。他們在反射率計算的基礎上，引入色度學空間概念，提出了快速、準確、無損表征石墨烯層數的總色差方法，解釋了只有在特定基底上石墨烯可見的原因，并利用該方法對基底和光源進行了優化，提出并實驗證實了更利于石墨烯光學表征的基底和光源，提高了光學表征的精度，為石墨烯層數的快速準確表征、控制制備及物性研究奠定了基礎（圖2，ACS Nano 2 (2008) 1625-1633）。論文發表后被《ACS Nano》雜志選為該期“亮點”進行了重點介紹；同時也被《Nature China》選為來自中國大陸和香港的突出科研成果，Vicki Cleave博士撰文寫道：“來自中國科學院的任文才、成會明及其合作者提出了一種快速、無損、可進行大面積石墨烯表征的光學方法，該工作有助于確定和制備適于應用的理想石墨烯樣品”。此外，針對目前石墨烯拉曼光譜信號弱、難以對其精細結構進行表征的難題，他們還發明了一種增強的拉曼散射技術，不僅可提高石墨烯拉曼光譜的信號強度，而且可獲得普通拉曼光譜不能得到的石墨烯的精細結構特征。
圖2 石墨烯的總色差表征方法
（三） 開展了石墨烯的應用探索。在石墨烯宏量制備的基礎上，他們開展了石墨烯在場發射體、超級電容器、鋰離子電池和透明導電膜等方面的應用探索。由于具有單原子厚度、優異的電學與力學特性以及豐富的邊界結構等特征，故石墨烯是一種理想的場發射材料，但石墨烯宏量制備和組裝技術的缺乏制約了其在場發射方面的應用。為了充分發揮石墨烯的結構和性能優勢，他們發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，實現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發射特性：低的開啟電場和閾值、良好的場發射穩定性和均勻性，展示了石墨烯在平板顯示等方面的應用前景（圖3，Advanced Materials 21 (2009): DOI: 10.1002/adma.200802560, online）。審稿人認為“作者實驗證實了石墨烯單原子厚度的邊界可有效增強電場、降低場發射開啟電場，是一項重要的科學發現”。他們還結合石墨烯紙易于制備且具有良好力學性能的特點，正全力拓展其應用空間。
圖3 單層石墨烯薄膜的場發射性能
這些工作得到了國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的資助。
（《先進材料》（Advanced Materials ），doi: 10.1002/adma.200802560，Zhong-Shuai Wu，Hui-Ming Cheng
