第一篇：石墨烯量子點(diǎn)調(diào)研報(bào)告

石墨烯調(diào)研報(bào)告（石墨烯量子點(diǎn)）

零維的石墨烯量子點(diǎn)(grapheme quantum dots, GQDs)，由于其尺寸在10nm以下，同二維的石墨烯納米片和一維的石墨烯納米帶相比，表現(xiàn)出更強(qiáng)的量子限域效應(yīng)和邊界效應(yīng)，因此，在許多領(lǐng)域如太陽能光電器件，生物醫(yī)藥，發(fā)光二極管和傳感器等有著更加誘人的應(yīng)用前景。GQDs的制備 GQDs具有特殊的結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，即有量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)又有氧化石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)特征。GQDs的粒徑大多在10 nm左右，厚度只有0.5到1.0 nm，表面含有羥基、羰基、羧基基團(tuán)，使得其具有良好的水溶性。

GQDs的制備方法有自上而下法(top-down)與自下而上法(bottom-up)兩種。top-down 法指將大片的石墨烯母體氧化切割成尺寸較小的石墨烯納米片，經(jīng)進(jìn)一步剪切成GODs，主要有水熱法、電化學(xué)法和化學(xué)剝離碳纖維法。

水熱法是制備GQDs最為常見的一種方法，先將氧化石墨烯在氮?dú)獗Ｗo(hù)下熱還原為GNSs，接著將GNSs置于混酸（混酸體積比 VH2SO4/VHNO3 =1:3）中超聲氧化，再將氧化的GNSs置于高壓反應(yīng)釜中200℃熱切割。反應(yīng)機(jī)理如圖3所示，Pan等采用該方法化學(xué)切割石墨烯制備GQDs，其徑主要分布在5-14 nm，并發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)在紫外區(qū)有較強(qiáng)光學(xué)吸收，吸收峰尾部擴(kuò)展到可見區(qū)。光致發(fā)光光譜一般是寬峰并且與激發(fā)波長有關(guān)，當(dāng)激發(fā)波長從300到407 nm變化，發(fā)射峰向長波方向移動(dòng)，激發(fā)波長為60nm時(shí)，量子點(diǎn)發(fā)出明亮的藍(lán)色光，此時(shí)發(fā)射峰最強(qiáng)。

圖3.水熱法制備GQDs反應(yīng)機(jī)理

Fig.3 mechanism for the preparation of GQDs by hydrothermal method

Jin等采用兩步法，先用水熱法制備出GQDs，再將聚乙二醇二胺修飾到GQDs 上。該法制備的胺功能化的石墨烯量子點(diǎn)可通過功能化物的遷移效應(yīng)有效地調(diào)節(jié)石墨烯 量子點(diǎn)的光致發(fā)光性能。上海復(fù)旦大學(xué)石墨烯研究人員采用在分散在水中的氧化石墨烯的懸浮液中加入胺類鈍化劑（氨水(NH3.H2O)、苯胺、聚乙烯亞胺(PEI)、三乙胺((C2H5)3N)、氯化銨(NH3Cl)或N、N-二甲基甲酰胺(DMF)等），反應(yīng)的溫度控制在150～250℃，反應(yīng)時(shí)間在30min～12h然后再進(jìn)行水熱鈍化處理，即得到具有較高的量子產(chǎn)率的的石墨烯量子點(diǎn)，平均粒度可達(dá)3.45nm。這種方法操作非常簡便，反應(yīng)時(shí)間短，對(duì)環(huán)境友好，所得的量子點(diǎn)量子產(chǎn)率高，且性質(zhì)容易通過改變鈍化劑的種類來進(jìn)行調(diào)控。

Zhou等采用光照芬頓反應(yīng)法，在亞鐵離子和雙氧水同時(shí)存在條件下，經(jīng)紫外燈照射石墨烯，得到粒徑約為40nm，高度約為1.2 nm的GQDs。該法操作簡單，可通過控制光照時(shí)間來調(diào)節(jié)GQDs的粒徑大小。

Li等采用電化學(xué)法，以高氯酸四丁基銨(TPAB)為氮源，石墨烯膜為工作電極, 乙腈為電解液，在±3.0V 范圍內(nèi)連續(xù)掃循環(huán)伏安，溶液顏色由無色變?yōu)辄S色，蒸干乙腈，透析并過濾，將固體分散于二次水中，得到氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)(NGQDs)。如圖4所示，該法制備的NGQDs在365nm紫外燈下發(fā)藍(lán)色熒光，粒徑主要分布在2-5nm之間。

圖4.NGQDs 熒光照片、結(jié)構(gòu)示意圖及 TEM 圖像

Fig 4 fluorescence photograph、structure diagram and TEM figures of NGQDs

Zhang等在堿性條件下電解石墨棒制備GQDs。將石墨棒作為陽極，以鉑為對(duì)電極，置于7mL濃度為0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液中，電流強(qiáng)度范圍為80-200 mA cm-1，得到的溶液用水合肼溶液處理，得到黃色發(fā)光、粒徑為5-10 nm的GQDs。電化學(xué)法制GQDs的工藝過程可歸納為三個(gè)階段：第一階段是剝落發(fā)生前的誘導(dǎo)期，電解液顏色從無色到黃色再到暗棕色；第二階段石墨陽極明顯膨脹；第三階段石墨片自陽極剝落袁同電解液一起形成黑色漿體，反應(yīng)機(jī)理如圖5所示。

圖5 電化學(xué)法制備GQDs反應(yīng)機(jī)理

Fig5 mechanism for the preparation of GQDs by electrochemical strategy Peng等采用化學(xué)剝離碳纖維法，以樹脂基碳纖維為母體，經(jīng)酸氧化將碳纖維中的堆積的石墨剝離，一步就可制得粒徑分布為1-4 nm，高度為0.4-2 nm的GQDs。該法制備的 GQDs邊緣大多呈鋸齒狀，由1-3層石墨烯構(gòu)成，并可通過控制溫度來調(diào)節(jié)GQDs的尺寸大小進(jìn)而達(dá)到改變其熒光顏色的目的。bottom-up法指小分子前驅(qū)體經(jīng)芳基氧化聚合作用得到GQDs。常見的方法有溶液聚

合法，微波輔助水熱法和可控?zé)峤舛喹h(huán)芳烴法等。Li等將增溶基團(tuán)2’,4’,6’-三烷基取代苯環(huán)共價(jià)連接到石墨烯基邊緣制備GQDs，大致步驟是用小分子（如3-碘-4-溴苯胺或其他苯衍生物）逐步反應(yīng)制得聚苯樹突狀前體,再經(jīng)氧化反應(yīng)得石墨烯基, 最后制得GQDs。Li等制備大尺寸GQDs采用新的增溶方法是在石墨烯核周圍生成一個(gè)三維的“籠”，將2’,4’,6’-三烷基取代苯環(huán)共價(jià)連接到石墨烯基邊緣致使其擁擠，則石墨平面外圍的苯基因此變得扭曲，石墨烯在三維方向上層間距增加形成籠狀結(jié)構(gòu)，如圖6所示，這極大地減小了因短程距離引起的層間吸引力，從而達(dá)到增溶目的。

圖6 溶液化學(xué)法制備GQDs:(a)GQDs的結(jié)構(gòu)圖；（b）GQDs的制備流程圖

Dong等采用直接聚合法，以檸檬酸(CA)為前驅(qū)體，加熱至200℃，通過控制CA的碳化時(shí)間可選擇性地制備GQDs或GO。如圖7所示，CA分子間脫水聚合，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間較短，CA部分碳化時(shí)形成GQDs；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間較長，CA完全碳化聚合成GO。GQDs和GO在365nm紫外燈下均呈現(xiàn)藍(lán)色熒光。

圖7 合成 GQDs和GO的圖解

Qu等在Dong的基礎(chǔ)上，采用溶液化學(xué)法，以檸檬酸(CA)為前驅(qū)體，尿素(UA)為氮源，硫脲(TU)為氮源和硫源，成功制備了氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)(NGQDs)和硫氮共摻雜石墨烯量子點(diǎn)(SNGQDs)。如圖8所示，水熱條件下CA先自組裝聚合成表面含有羥基和羧基的GQDs，UA或TU中的-NH2及含S基團(tuán)連接到GQDs表面的羧基或羥基上，形成NGQDs或SNGQDs。該法制備的NGQDs和SNGQDs粒徑主要分布在2.0-4.0nm；量子產(chǎn)率高，分別可達(dá)78%和71%；在可見光下分別呈黃色和綠色,在365nm紫外燈下都呈藍(lán)色，且SNGQDs在550nm和590nm處分別呈紅色和紫色。

圖8 NGQDs和SNGQDs的生長機(jī)理

Tang等采用微波輔助水熱法，以葡萄糖為前驅(qū)體制備GQDs。如圖9所示，在微波水熱環(huán)境下，葡萄糖脫水經(jīng)C=C形成GQDs核心，隨反應(yīng)時(shí)間延長GQDs逐漸長大，反應(yīng)時(shí)間是GQDs粒徑大小的決定性因素。該法制備的GQDs結(jié)晶度高，平均粒子大小在3.4 nm左右，在365 nm 紫外燈下發(fā)藍(lán)光。

圖9 微波輔助水熱法(MAH)制備GQDs Liu等采用可控?zé)峤舛喹h(huán)芳烴法，以六苯基苯(HBC)為碳源制備出大小約為60nm、厚度約為2-3nm、粒徑統(tǒng)一的彩色熒光GQDs。如圖10所示，首先HBC在高溫下熱分解自組裝成人工石墨，接著經(jīng)改進(jìn)的Hummers方法氧化剝離，之后與聚乙二醇胺混合加熱回流48h并用肼還原得到GQDs。該法制備的GQDs穩(wěn)定性好，室溫放置一年仍不變質(zhì)，形貌和粒徑大小可通過熱解溫度來調(diào)節(jié)。

圖10 以六苯基苯(HBC)為碳源制備光致發(fā)光GQDs的過程圖解

Sheng 等采用紫外光刻蝕干法制備了石墨烯量子點(diǎn)，通過將石墨烯溶液旋涂在云母薄片上。經(jīng)干燥得到氧化石墨烯/云母薄膜，采用80~200W、主波長275nm或372nm的紫外燈進(jìn)行照射1~60min，制成單層的石墨烯量子點(diǎn)薄膜。石墨烯量子點(diǎn)薄膜明場和熒光照片如圖11所示，選擇不同波段的激發(fā)光，薄膜的熒光強(qiáng)度不同，其中以近紅外區(qū)的熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，并且熒光衰減很慢。

圖11 石墨烯量子點(diǎn)薄膜明場和熒光圖

GQDs的性質(zhì)（1）光致發(fā)光 石墨烯量子點(diǎn)在紫外區(qū)有較強(qiáng)光學(xué)吸收，吸收峰尾部擴(kuò)展到可見區(qū)。光致發(fā)光光譜一般是寬峰并且與激發(fā)波長有關(guān)，當(dāng)激發(fā)波長從300到407 nm變化，發(fā)射峰向長波方向移動(dòng)，激發(fā)波長為360 nm時(shí)，量子點(diǎn)發(fā)出明亮的藍(lán)色光，此時(shí)發(fā)射峰最強(qiáng)。發(fā)光光譜是電子從最低未占據(jù)分子軌道向最高占據(jù)分子軌道躍遷產(chǎn)生的。帶隙大小與量子點(diǎn)尺寸有關(guān)，當(dāng)量子點(diǎn)尺寸增加帶隙逐漸降低，不同粒徑石墨烯量子點(diǎn)混合樣品具有不同的激發(fā)和發(fā)射光譜。

石墨烯量子點(diǎn)溶液的pH也會(huì)影響發(fā)光強(qiáng)度。如Pan等報(bào)道了石墨烯量子點(diǎn)在堿性條件下熒光較強(qiáng)而在酸性條件下熒光幾乎完全猝滅。如果pH在13和1之間變化，光強(qiáng)度也隨之可逆地變化，這會(huì)限制量子點(diǎn)的應(yīng)用范圍。Shen等將量子點(diǎn)表面用聚乙二醇鈍化解決了這個(gè)問題。量子點(diǎn)在中性溶液中具有較強(qiáng)的熒光，在酸性和堿性溶液中強(qiáng)度降低約25%。聚乙二醇修飾的石墨烯量子點(diǎn)量子產(chǎn)率可達(dá)28%，比純量子點(diǎn)高兩倍。也就是說量子點(diǎn)表面鈍化后可顯著增強(qiáng)量子點(diǎn)熒光。

除了尺寸和酸堿度之外，還有其他因素影響石墨烯量子點(diǎn)的發(fā)光性能。Eda等發(fā)現(xiàn)經(jīng)肼蒸汽還原處理后石墨烯量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度會(huì)變化，可能是與極小的sp2簇的變化有關(guān)。Gokus 等人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光致發(fā)光強(qiáng)度和石墨烯厚度直接相關(guān)。單層石墨烯發(fā)光較強(qiáng)，但多層石墨烯發(fā)光情況卻不同。用氧氣等離子層層刻蝕后，雙層和多層的石墨烯仍然不發(fā)光，說明最上一層的熒光發(fā)射被底下未處理的層猝滅了。

（2）上轉(zhuǎn)換發(fā)光

最近上轉(zhuǎn)換熒光材料引起了科研工作者廣泛的關(guān)注。而石墨烯量子點(diǎn)的上轉(zhuǎn)換發(fā)光研究的卻較少。Shen 等制備的石墨烯量子點(diǎn)在 980 nm激光激發(fā)下發(fā)出綠光，具有上轉(zhuǎn)換熒光性質(zhì)。激發(fā)波長從 600 nm 變到 800 nm，上轉(zhuǎn)換發(fā)射峰隨之變化，從390 到468 nm，且激發(fā)光能量和上轉(zhuǎn)換發(fā)射光能量之間的差值不變，大約1.1eV。Shen等人認(rèn)為可能的原因是石墨烯量子點(diǎn)卡賓基態(tài)的多重性，具有σ和π兩個(gè)軌道，而兩個(gè)軌道之間的能級(jí)差接近1.1 eV。

（3）低細(xì)胞毒性

石墨烯量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性已被很多課題組研究。Dai和Yang課題組通過細(xì)胞實(shí)驗(yàn)研究都發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)具有較低的毒性。加入400 mg量子點(diǎn)到150mL細(xì)胞液中，細(xì)胞的活性沒有明顯地降低。因此所合成的石墨烯量子點(diǎn)可用于體外、活體生物成像和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并且具有較高的允許濃度。

(4)其他性質(zhì) 由于具有石墨烯的物理結(jié)構(gòu)，石墨烯量子點(diǎn)還具有其他特性。石墨烯量子點(diǎn)是很好的電子給體同時(shí)又是電子受體。Hamilton及其合作者通過在極性表面上通過控制量子點(diǎn)的取向來組裝膠體石墨烯量子點(diǎn)制備了圓盤形納米結(jié)構(gòu)材料。量子點(diǎn)的取向可以通過化學(xué)作用測(cè)定出來。GQDs的應(yīng)用領(lǐng)域

由于擁有石墨烯電化學(xué)催化性能高、生物相容性好、細(xì)胞毒性低、環(huán)境友好、光致 發(fā)光性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)良性能，GQDs在化學(xué)及生物領(lǐng)域的甲醇燃料電池、環(huán)境金屬離子檢測(cè)、傳感器、細(xì)胞成像、藥物運(yùn)輸?shù)确矫娴膽?yīng)用逐漸被關(guān)注，盡管其應(yīng)用研究目前仍處在起始階段，但已日益成為全球科研工作者熱門的研究對(duì)象。

（1）生物成像

Jing及其合作者利用共軸電噴濺方法一步制備了多功能核殼結(jié)構(gòu)膠囊，同時(shí)具有靶向和熒光成像功能。TiO2殼層抑制了紫杉醇起始的爆發(fā)性釋放，內(nèi)部的四氧化三鐵和石墨烯量子點(diǎn)分別用于磁靶向和熒光成像。膠囊內(nèi)的紫杉醇在超聲作用下可釋放出來。Zhu等把合成的石墨烯量子點(diǎn)用于常規(guī)的生物成像。以Dulbecco磷酸鹽緩沖鹽水為介質(zhì)配成2.5 mg/mL石墨烯量子點(diǎn)懸浮液來培育104細(xì)胞/150 μL人骨肉瘤細(xì)胞液。石墨烯量子點(diǎn)是通過一步溶劑熱法制備的，量子產(chǎn)率高達(dá)11.4%。石墨烯量子點(diǎn)吸收和生物成像試驗(yàn)是在共聚焦熒光顯微鏡上完成的。細(xì)胞內(nèi)有亮綠色區(qū)域表明量子點(diǎn)已經(jīng)通過細(xì)胞膜轉(zhuǎn)位。激光相關(guān)的發(fā)光行為使石墨烯量子點(diǎn)有多種可見光譜，當(dāng)激發(fā)波長移到488 nm，可看到黃綠色的光。

（2）電化學(xué)生物傳感

由于石墨烯量子點(diǎn)具有優(yōu)異的傳導(dǎo)性，Li等將石墨烯量子點(diǎn)修飾電極與特定序列ssDNA分子耦合作為探針設(shè)計(jì)了電化學(xué)生物傳感器。由于探針ssDNA與量子點(diǎn)的相互作用使之緊緊地結(jié)合在修飾電極表面，從而抑制了電化學(xué)活性物種[Fe(CN)6]3-/4-和電極之間的電子轉(zhuǎn)移。當(dāng)目標(biāo)分子如目標(biāo)ssDNA或目標(biāo)蛋白質(zhì)加入測(cè)試溶液中，如果探針ssDNA是目標(biāo)DNA的互補(bǔ)對(duì)或目標(biāo)蛋白質(zhì)的適體，探針ssDNA優(yōu)先與目標(biāo)分子結(jié)合而不是石墨烯量子點(diǎn)。[Fe(CN)6]3-/4-的峰電流隨目標(biāo)分子量增大而增加。所構(gòu)筑的生物傳感器具有較高的靈敏度和選擇性。Li 等還構(gòu)建了一種新型基于 GQDs 和 BBV 的葡萄糖熒光傳感器。該傳感器利用 GQDs 與 BBV 之間的靜電相互作用，使之相互絡(luò)合導(dǎo)致 GQDs熒光猝滅，加入葡萄糖后，BBV 中的硼酸基團(tuán)與葡萄糖中的順式醇羥基結(jié)合，中和了BBV 所帶的正電荷，從而使 GQDs 熒光恢復(fù)。（3）環(huán)境金屬離子檢測(cè) Ran 等首次報(bào)道了一種簡單快速、超靈敏無標(biāo)記的基于銀納米粒子（AgNPS）修飾的 GQDs 檢測(cè) Ag+和生物硫醇的方法。如圖 12所示，GQDs 作為熒光指示劑，當(dāng) Ag+或生物硫醇不存在的情況下，GQDs 發(fā)出強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光；當(dāng) Ag+存在時(shí)，由于靜電作用 Ag+會(huì)吸附在 GQDs 表面，GQDs 熒光強(qiáng)度減弱；Ag+吸附在 GQDs 表面后生成了AgNPS,加入生物硫醇后，生物硫醇作為還原劑和橋梁將彼此毗鄰的 AgNPS 距離拉近并連接在一起，使 GQDs 熒光猝滅。

圖12基于石墨烯量子點(diǎn)檢測(cè) Ag+和生物硫醇的機(jī)理示意圖

Liu 等合成的氮摻雜碳點(diǎn)與 Cu（Ⅱ）之間存在絡(luò)合作用，可用于無標(biāo)記綠色高靈敏檢測(cè)環(huán)境中的 Cu（Ⅱ）。

（4）催化領(lǐng)域

最近Qu 課題組用電化學(xué)法制備了氮摻雜的表面具有富氧功能基團(tuán)的石墨烯量子點(diǎn)。該法是以四丁基氨高氯酸鹽為氮源，乙腈為電解質(zhì)把氮原子原位引入所生成的石墨烯量子點(diǎn)中。摻雜石墨烯量子點(diǎn)中的雜原子可有效調(diào)控量子點(diǎn)原本的性質(zhì)。所制備的氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)具有發(fā)光及電催化活性，N/C 原子比約為4.3%。與無氮的純量子點(diǎn)不同，所制備的產(chǎn)物發(fā)藍(lán)光并且具有電催化活性，在堿性介質(zhì)中催化氧氣還原反應(yīng)，其催化活性與商用的 Pt/C 催化劑相當(dāng)。

（5）有機(jī)光伏器件

由于具有優(yōu)異的光電性質(zhì)，石墨烯量子點(diǎn)可望用于制備低廉、上轉(zhuǎn)換發(fā)光及高性能的光伏器件。

Li 等人用發(fā)綠光的膠體石墨烯量子點(diǎn)在共軛聚合物，聚(3-己基噻吩)基薄膜太陽能電池中作為電子受體材料。雖然只是初步研究沒有進(jìn)行器件的優(yōu)化，功率轉(zhuǎn)換效率仍達(dá)到 1.28%。石墨烯量子點(diǎn)提供了一個(gè)有效的電荷分離界面和電子傳輸路徑。Yan等也報(bào)道了石墨烯量子點(diǎn)具有較高的光吸收，并且在可見和近紅外區(qū)也有吸收。通過計(jì)算石墨烯量子點(diǎn)能級(jí)水平發(fā)現(xiàn)在光激發(fā)下電子可能從量子點(diǎn)注入寬帶隙 TiO2然后從碘離子接受一個(gè)電子實(shí)現(xiàn)再生。因此，石墨烯量子點(diǎn)可以取代金屬有機(jī)染料作為光敏劑制造出價(jià)廉、高效的量子點(diǎn)敏化太陽能電池。石墨烯量子點(diǎn)還具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)，可用于光電化學(xué)電池。

Zhu 等研究了石墨烯量子點(diǎn)的光電轉(zhuǎn)換能力。聚乙烯醇-石墨烯量子點(diǎn)和純石墨烯量子點(diǎn)在 ITO 電極上產(chǎn)生的光電流用三電極體系進(jìn)行測(cè)定。純石墨烯量子點(diǎn)光電極在 365 nm 紫外光和 808 nm近紅外激光照射下產(chǎn)生的光電流比聚乙烯醇-石墨烯量子點(diǎn)電極的一半還少，石墨烯量子點(diǎn)將會(huì)成為新的太陽能電池?fù)诫s材料。光電轉(zhuǎn)換的光源可以從紫外拓展到近紅外。

Gupta 等報(bào)道了將石墨烯量子點(diǎn)與規(guī)整的聚(3-己基噻吩)或聚(2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4 苯撐乙烯)聚合物混合之后得到的物質(zhì)與石墨烯納米片和共軛聚合物的混合物相比能明顯地提高太陽能電池或有機(jī)發(fā)光二極管的效率。石墨烯量子點(diǎn)是以石墨烯納米片為原料通過水熱法制備并且用苯胺或亞甲基藍(lán)功能化。循環(huán)伏安法測(cè)得石墨烯量子點(diǎn)的 LUMO 和 HOMO 分別為-3.55 和-5.38 eV，并且 LUMO 的位置在聚(3-己基噻吩)和 Al 之間，說明量子點(diǎn)適合用于太陽能電池。亞甲基藍(lán)功能化的石墨烯量子點(diǎn)分散在聚合物聚(2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4 苯撐乙烯)中，提供了較多的電傳輸路徑，增強(qiáng)了電荷注入效率，因此增加了載流子密度。

展望

綜上所述，作為一種新型的碳納米結(jié)構(gòu)材料，石墨烯量子點(diǎn)自問世以來，對(duì)其制備方法以及機(jī)理的研究就一直是研究者們探索的熱點(diǎn)，各種簡單有效的方法被陸續(xù)研究出來。然而目前制備高產(chǎn)率、高質(zhì)量GQDs仍有相當(dāng)長的路要走：自上而下的方法步驟相對(duì)簡單，產(chǎn)率較高袁但不能實(shí)現(xiàn)對(duì)GQDs形貌和尺寸的精確控制。自下而上的方法多數(shù)可控性更強(qiáng)，但步驟繁瑣操作麻煩。另外一些特殊方法所需要的苛刻制備條件更是限制了這些方法的推廣。除此之外，很多機(jī)理性問題沒有解決，如光致發(fā)光（PL）起源, 影響GQDs帶隙的因素，石墨烯材料中的能量弛豫和光譜擴(kuò)散是否受到聚集和層間耦合的影響。應(yīng)用方面也有很多問題，如生物成像時(shí)，GQDs會(huì)發(fā)出有干擾的藍(lán)色熒光，上轉(zhuǎn)換發(fā)光（UCPL）強(qiáng)度弱，應(yīng)用在太陽能電池中能量轉(zhuǎn)化率并不高。因此，關(guān)于GQDs的研究仍然任重而道遠(yuǎn)，為了充分開發(fā)GQDs優(yōu)異的光、電、磁性能還需要研究更加合理的制備方法。

但不容否認(rèn)的是，GQDs的應(yīng)用前景還是非常值得期待的。因良好的化學(xué)惰性、生物相容性、低毒性、PL和UCPL等特性，GQDs在傳感器、拉曼增強(qiáng)、生物成像、疾病檢測(cè)、藥物運(yùn)輸、催化劑以及光電器等各個(gè)領(lǐng)域袁具有廣闊的應(yīng)用前景。未來的工作中，科學(xué)家將會(huì)更多關(guān)注如何通過更好的方法控制合成GQDs并對(duì)其進(jìn)行表面修飾和復(fù)合，增強(qiáng)熒光強(qiáng)度，使其表現(xiàn)出更好的性能，加速應(yīng)用進(jìn)程。

第二篇：石墨烯調(diào)研報(bào)告

石墨烯調(diào)研報(bào)告

2016年3月4日

程畢康

1.石墨烯

石墨烯是一種可以單獨(dú)存在的單原子層二維碳材料。石墨烯結(jié)構(gòu)是由碳六元環(huán)組成的二維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，它可以翹曲成零維的富勒烯(fullerene)，卷成一維的碳納米管(carbon nano-tube，CNT)或者堆垛成三維的石墨(graphite)，因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，是最理想的二維納米材料。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看做是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元。石墨烯可以分為單層石墨烯，雙層石墨烯和多層石墨烯。

2.石墨烯性能

石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過了電子在其他導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。石墨烯具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料的導(dǎo)電性。

另外石墨烯透光率極高，在97%以上，只吸收2.3%的可見光。石墨烯實(shí)際上是一種透明、良好的導(dǎo)體。

石墨烯每個(gè)碳原子與相鄰的三個(gè)碳原子行程三個(gè)C-C鍵，這些C-C鍵使得石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。石墨烯的理論比表面積高達(dá)26.600m2/g,從而使石墨烯具有突出的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)。

石墨烯的化學(xué)性質(zhì)和石墨類似。碳材料具有很強(qiáng)的吸附性，石墨烯也能夠吸附和脫附各種原子和分子。

石墨烯是寬帶隙半導(dǎo)體，使其具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)。3.石墨烯的應(yīng)用

由于石墨烯具有以上優(yōu)異的性能使得石墨烯的是21世紀(jì)前景廣闊最廣闊的材料。目前石墨烯最主要的應(yīng)用有：材料科學(xué)、電子科學(xué)、催化劑載體、生物醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域。

納電子器件

常溫下石墨烯具有10倍于硅片的高載流子遷移率，并且受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小。表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢(shì)，使電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場效應(yīng)管成為可能。另外，石墨烯減小到納米尺度甚至單個(gè)苯環(huán)同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，使探索單電子器件成為可能。

利用石墨烯加入電池電極材料中可以大大提高充電效率，并且提高電池容量。新型石墨烯材料將不依賴于鉑或者其他貴金屬，可有效降低成本和對(duì)環(huán)境的影響。

美國俄亥俄州Nanotek儀器公司實(shí)驗(yàn)人員利用鋰離子可以在石墨烯表面和電極之間大量快速穿梭的特性開發(fā)出一種新型儲(chǔ)能設(shè)備，可以將充電時(shí)間從過去的數(shù)小時(shí)縮短到不到一分鐘。

代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料，石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，由于工程師們正在設(shè)法將越來越多的信息填充在信號(hào)中，它被要求使用越來越高的頻率，然而工作頻率越高，熱量也就越高，于是高頻的提升受到很大限制。石墨烯的出現(xiàn)，使高頻提升的發(fā)展前景變得無限廣闊。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作硅的替代品，能用來生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。光子傳感器

石墨烯還能夠以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場上，這種傳感器是用于檢測(cè)光纖中攜帶的信息的，現(xiàn)在這個(gè)角色還是由硅擔(dān)當(dāng)，石墨烯的出現(xiàn)使硅的時(shí)代就要結(jié)束。IBM的研究小組已經(jīng)披露了他們研制的石墨烯光電探測(cè)器，接下來人們期待的就是基于石墨烯的太陽能電池和液晶顯示屏。用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)的透光性。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

石墨烯及其衍生物在納米藥物運(yùn)輸系統(tǒng)、生物檢測(cè)、生物成像、腫瘤治療等方面的應(yīng)用廣闊。以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以用于細(xì)菌分析、DNA 和蛋白質(zhì)檢測(cè)。如美國賓夕法尼亞大學(xué)開發(fā)的石墨烯納米孔設(shè)備可以快速完成DNA 測(cè)序。石墨烯量子點(diǎn)應(yīng)用于生物成像中，與熒光體相比具有熒光更穩(wěn)定、不會(huì)出現(xiàn)光漂白和不易光衰等特點(diǎn)。石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究雖處于起步階段，但卻是產(chǎn)業(yè)化前景最為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

能源存儲(chǔ)

材料吸附氫氣量和其比表面積成正比，石墨烯擁有質(zhì)量輕、高化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積的優(yōu)點(diǎn)，使其成為儲(chǔ)氫材料的最佳候選者。

吸聲材料

美國IBM宣布，通過重疊兩層相當(dāng)于石墨單原子層的“石墨烯”試制成功了新型晶體管，同時(shí)發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特有的1/f。石墨烯試制成功了相同的晶體管，不過與預(yù)計(jì)的相反，發(fā)現(xiàn)能夠大幅控制噪音。通過在二層石墨烯之間生成的強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制噪音。

超輕防彈衣、超強(qiáng)光轉(zhuǎn)換效率激光武器、超薄超輕型飛機(jī)、超薄能折疊的手機(jī)、高強(qiáng)度航空材料、高性能儲(chǔ)能和傳感器、超級(jí)電容器，甚至更富想象力的太空電梯，越來越多基于石墨烯材料的未來設(shè)備進(jìn)入科學(xué)家的研究視野。4.石墨烯制備

前石墨烯的制備工藝可分為物理法和化學(xué)法。物理法是從具有高晶格完備性的石墨或類似材料中獲得，石墨烯尺度都在80nm以上。物理法包括：機(jī)械剝離法、加熱SiC法、爆炸法和取向附生法?；瘜W(xué)法是通過小分子合成或溶液分離的方法制備，石墨烯尺度在10 nm以下?；瘜W(xué)法包括：電化學(xué)法、化學(xué)氣相沉積法、石墨插層法、球磨法、氧化石墨還原法、熱膨脹剝離法。

5.石墨烯復(fù)合材料

石墨烯應(yīng)用廣闊，但是應(yīng)用和研究最多的是石墨烯復(fù)合材料。目前石墨烯復(fù)合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復(fù)合材料和石墨烯基無機(jī)納米復(fù)合材料上。隨著對(duì)石墨烯研究的深入，石墨烯增強(qiáng)體在塊體金屬基復(fù)合材料中的應(yīng)用越來越受到重視。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和力學(xué)性能，可作為制備高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料的理想納米填料，同時(shí)分散在溶液中的石墨烯也可與聚合物單體相混合進(jìn)而經(jīng)聚合形成復(fù)合材料體系，此外石墨烯的加入可賦予復(fù)合材料不同的功能性，不但表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，且具有優(yōu)良的加工性能，為復(fù)合材料提供了更廣闊的應(yīng)用空間。與純的聚合物相比，石墨烯/聚合物復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和阻燃性能均有顯著提高，同時(shí)，石墨烯增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料的力學(xué)和電學(xué)性能均較黏土或者其他炭材料增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料的性能優(yōu)異。

石墨烯聚合物復(fù)合材料

根據(jù)石墨烯與聚合物的作用方式不同可分為石墨烯填充聚合物復(fù)合材料﹑層狀石墨烯聚合物復(fù)合材料和功能化聚合物復(fù)合材料。石墨烯/聚合物復(fù)合材料的制備主要采用共混法，它通過聚合物與石墨烯納米粒子共混后制成。

石墨烯/無機(jī)物復(fù)合材料

石墨烯/無機(jī)物復(fù)合材料是無機(jī)納米材料（金屬納米材料、半導(dǎo)體和絕緣納米材料）在石墨烯納米層表面形成石墨烯衍生物。石墨烯與特定功能顆粒結(jié)合，使其在催化劑、光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

石墨烯/金屬復(fù)合材料

石墨烯與聚合物、陶瓷復(fù)合時(shí)會(huì)出現(xiàn)良好的性能。此外，當(dāng)石墨烯與金屬復(fù)合時(shí)，也會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)特的性能。石墨烯比表面積大，可在其片層上修飾金屬納米粒子，即對(duì)石墨烯進(jìn)行表面改性，使石墨烯的性質(zhì)發(fā)生改變。另一方面，石墨烯可作為增強(qiáng)體添加到金屬基體中，起到彌散強(qiáng)化的作用。金屬在塑性變形時(shí)，石墨烯粒子能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加金屬的抗拉、抗彎強(qiáng)度、硬度等機(jī)械性能。

總之石墨烯復(fù)合材料大大拓寬了石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域。目前石墨烯和石墨烯復(fù)合材料的制備與研究尚未成熟，尤其是關(guān)于石墨烯復(fù)合吸聲材料、潤滑、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有待探索。

第三篇：石墨烯調(diào)研小結(jié)

004km.cn

石墨烯調(diào)研小結(jié)

一、簡介石墨烯的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料,是一種由碳原子以sp雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。

石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子”的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。石墨烯有相當(dāng)?shù)牟煌该鞫龋嚎梢晕沾蠹s2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對(duì)論性的體現(xiàn)。

石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家對(duì)石墨烯的機(jī)械特性進(jìn)行了全面的研究。在試驗(yàn)過程中，他們選取了一些直徑在10—20微米的石墨烯微粒作為研究對(duì)象。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個(gè)表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在1—1.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對(duì)這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測(cè)試它們的承受能力。研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1微米長的石墨烯斷裂。

我們至今關(guān)于石墨烯化學(xué)性質(zhì)知道的是：類似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子。從表面化學(xué)的角度來看，石墨烯的性質(zhì)類似于石墨，可利用石墨來推測(cè)石墨烯的性質(zhì)。石墨烯化學(xué)可能有許多潛在的應(yīng)用，然而要石墨烯的化學(xué)性質(zhì)得到廣泛關(guān)注有一2004km.cn

個(gè)不得不克服的障礙：缺乏適用于傳統(tǒng)化學(xué)方法的樣品。這一點(diǎn)未得到解決，研究石墨烯化學(xué)將面臨重重困難。

二、石墨烯應(yīng)用方向

石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)法將越來越多的信息填充在信號(hào)中，它們被要求使用越來越高的頻率，然而手機(jī)的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無限廣闊了。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

三、石墨烯的制備——氧化石墨還原法

氧化石墨還原法氧化石墨還原法氧化石墨還原法 氧化石墨還原法制備石墨烯是將石墨片分散在強(qiáng)氧化性混合酸中，例如濃硝酸和濃硫酸，然后加入高錳酸鉀或氯酸鉀強(qiáng)等氧化劑氧化得到氧化石墨(GO)水溶膠，再經(jīng)過超聲處理得到氧化石墨烯, 最后通過還原得到石墨烯。這是目前最常用的制備石墨烯的方法。石墨本身是一種憎水性的物質(zhì)，然而氧化過程導(dǎo)致形成了大量的結(jié)構(gòu)缺陷，這些缺陷即使經(jīng)1100 °C退火也不能完全消除，因此GO表面和邊緣存在大量的羥基、羧基、環(huán)氧等基團(tuán)，是一種親水性物質(zhì)。由于這些官能團(tuán)的存在，GO容易與其它試劑發(fā)生反應(yīng)，得到改性的氧化石墨烯。同時(shí)GO層間距(0.7~1.2nm)也較原始石墨的層間距(0.335nm)大，有利于其它物質(zhì)分子的插層。制備GO的辦法一般有3 種：Standenmaier法、Brodie法和Hummers法。制備的基本原理均為先用強(qiáng)質(zhì)子酸處理石墨，形成石墨層間化合物，然后加入強(qiáng)氧化劑對(duì)其進(jìn)行氧化。GO還原的方法包括化學(xué)液相還原、熱還原、等離子體法還原、氫電弧放電剝離、超臨界水還原、光照還原、溶劑熱還原、微波還原等。Stankovich等首次將鱗片石墨氧化并分散于水中，然后再用水合肼將其還原，在還原過程中使用高分子量的聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)對(duì)氧化石墨層表面進(jìn)行吸附包裹，避免團(tuán)聚。由于PSS 與石墨烯之間有較強(qiáng)的非共價(jià)鍵作用(π?π堆積力)，阻止了石墨烯片層的聚集，使該復(fù)合物在水中具有較好的溶解性(1 mg/mL)，從而制備出了PSS包裹的改性氧化石墨單片。在此基礎(chǔ)上，Stankovich等制備出了具有低的滲濾值(約0.1 %體積分?jǐn)?shù))和優(yōu)良的導(dǎo)電性能(0.1S/m)的改性單層石墨烯/聚苯乙烯復(fù)合材料。

這種方法環(huán)保、高效，成本較低，并且能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。其缺陷在于強(qiáng)氧化劑會(huì)嚴(yán)重破壞石墨烯的電子結(jié)構(gòu)以及晶體的完整性，影響電子性質(zhì)，因而在一定程度上限制了其在精密的微電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

四、石墨烯的應(yīng)用實(shí)例

石墨烯電池，利用鋰電池在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開發(fā)出的一種新能源電池。不久前，美國俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰電池在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時(shí)的充004km.cn

電時(shí)間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認(rèn)為，未來一分鐘快充石墨烯電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。

第四篇：石墨烯前景

2013年1月，歐盟委員會(huì)將石墨烯列為“未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一；

十二五規(guī)劃

石墨烯是新材料中最為“時(shí)髦”的一員。它具有超硬、最薄、負(fù)電子的特征，有很強(qiáng)的韌性、導(dǎo)電性以及導(dǎo)熱性。這使其能夠廣泛應(yīng)用于電子、航天、光學(xué)、儲(chǔ)能、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域，擁有巨大的產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間。

因此，石墨烯在2004年被發(fā)現(xiàn)后就迅速引發(fā)全球范圍內(nèi)的研究熱。近年來我國在石墨烯研發(fā)應(yīng)用方面的研究不斷加強(qiáng)，各地政府和有關(guān)機(jī)構(gòu)加大力度扶持和推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2013年6月，內(nèi)蒙古石墨烯材料研究院正式成立。這是我國首個(gè)與石墨烯材料相關(guān)的綜合性研究機(jī)構(gòu)和技術(shù)開發(fā)中心。

2013年7月13日，在中國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會(huì)的支持下，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟正式成立。該聯(lián)盟已向有關(guān)部門上報(bào)了無錫、青島、寧波、深圳四個(gè)地方，作為石墨烯產(chǎn)業(yè)研發(fā)示范基地。江蘇省、山東省等省級(jí)石墨烯聯(lián)盟已于2013年陸續(xù)成立。

2013年12月18日，無錫市發(fā)布《無錫石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》，規(guī)劃建立無錫石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范區(qū)和無錫市石墨烯技術(shù)及應(yīng)用研發(fā)中心、江蘇省石墨烯質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心。力爭把無錫市打造成國家級(jí)石墨烯產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范基地和具有國際競爭力的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范區(qū)。

2013年12月20日，寧波年產(chǎn)300噸石墨烯規(guī)模生產(chǎn)線正式落成投產(chǎn)。

與此同時(shí)，上海浦東新區(qū)也正籌備建立臨港石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)，并力爭國家石墨烯檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)中心落戶浦東。

石墨烯產(chǎn)業(yè)遍地開花。據(jù)記者了解，目前，無錫市已設(shè)立2億元專項(xiàng)資金，通過補(bǔ)貼、配套、獎(jiǎng)勵(lì)、跟進(jìn)投資、股權(quán)投資等方式，進(jìn)一步扶持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展；寧波為了扶持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也拿出了千萬元以上的扶持資金。業(yè)內(nèi)人士表示，作為一種理想的替代型材料，石墨烯一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化其產(chǎn)值至少在萬億元以上。

推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

第五篇：石墨烯學(xué)習(xí)心得

石墨烯學(xué)習(xí)心得

最近這段時(shí)間斷斷續(xù)續(xù)搜集了很多納米材料、半導(dǎo)體物理還有石墨烯的相關(guān)資料，主要是來自萬方數(shù)據(jù)網(wǎng)、超星學(xué)術(shù)視頻網(wǎng)站、百度文庫還有一些相關(guān)網(wǎng)頁博客資料。了解到了很多之前聞所未聞的知識(shí)，比如“納米材料的神奇特性、納米科技潛在的危害”等等。

對(duì)于石墨烯，主要有如下幾方面不成熟的想法，還望老師您來指正。

（一）在石墨烯新奇特性以及宏觀應(yīng)用預(yù)測(cè)方面

有人認(rèn)為，石墨烯的這些新奇的特性以及預(yù)期應(yīng)用并不能推廣到宏觀尺寸。

第一是認(rèn)為很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是來源于對(duì)微納米級(jí)單層石墨烯的實(shí)驗(yàn)研究，不能把納米微米級(jí)觀察和測(cè)試到的數(shù)據(jù)無限夸大到宏觀應(yīng)用；

第二是認(rèn)為單層懸浮石墨烯的特異性是依靠其邊界碳原子的色散作用而穩(wěn)定存在，大面積的單層懸浮石墨稀不可能穩(wěn)定存在。第三是認(rèn)為目前的大面積石墨烯的應(yīng)用實(shí)例存在相當(dāng)大的褶皺以及碳原子缺失。因而否定很多2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)的公告中對(duì)于石墨稀的宏觀應(yīng)用預(yù)測(cè)，并主張繼續(xù)深入石墨烯微觀性能研究，比如半導(dǎo)體器件等研究。

我想：我們最好還是不能放棄石墨烯在宏觀尺度上應(yīng)用的希望，應(yīng)該盡最大努力用各種手段去克服所謂的褶皺、碳原子缺失等等導(dǎo)致石墨烯性質(zhì)不能穩(wěn)定存在的負(fù)面因素，比如采用襯底轉(zhuǎn)移（CVD）的方式所制大面積石墨烯透明電極尺寸的方法（雖然制得的石墨烯還有很多的缺陷，但至少證明大面積石墨烯還是有可能穩(wěn)定存在并最終為我們所用的吧，畢竟有宏觀實(shí)際應(yīng)用的材料才更有可能是有發(fā)展前景的新型材料）。

（二）在石墨烯制備工藝方面 我們知道，石墨烯非常有希望在諸多應(yīng)用領(lǐng)域中成為新一代器件，但這些元件要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平,還需要解決很多問題。那就是如何在所要求的基板或位臵制作出不含缺陷及雜質(zhì)的高品質(zhì)石墨烯,或者通過摻雜(Doping)法實(shí)現(xiàn)所期望載流子密度的石墨烯。用于透明導(dǎo)電膜用途時(shí)能否實(shí)現(xiàn)大面積化及量產(chǎn)化,而用于晶體管用途時(shí)能否提高層控制精度,這些問題都十分重要。今后,為了探尋石墨烯更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,還需繼續(xù)尋求更為優(yōu)異的石墨烯制備工藝,使其得到更好的應(yīng)用。

（三）石墨烯在納米存儲(chǔ)器上的應(yīng)用前景

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)已逐漸逼近物理極限，難以大幅度提高存儲(chǔ)器的性能，越來越難以滿足人們對(duì)存儲(chǔ)器的要求，要想有突破性的進(jìn)展，就必須另辟蹊徑，尋找新的原理和方法。

第一是因?yàn)閭鹘y(tǒng)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器存在容量小數(shù)據(jù)易丟失等弊端。第二是因?yàn)楝F(xiàn)代化信息爆炸社會(huì)迫切要求新型的大容量存儲(chǔ)器的出現(xiàn)。

第三因?yàn)槭侨藗儗?duì)信息存儲(chǔ)的安全性要求越來越高。最后，假如納米存儲(chǔ)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的話，屆時(shí)我們電腦中的存儲(chǔ)設(shè)備也許會(huì)以PB為單位計(jì)算，而因存儲(chǔ)介質(zhì)損壞導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的煩惱也將遠(yuǎn)離我們。所以我覺得：要是可能的話，以石墨烯為介質(zhì)的存儲(chǔ)器，應(yīng)該是一個(gè)不錯(cuò)的研究方向。