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2010年，諾貝爾物理學(xué)獎授予了英國兩位物理學(xué)家A. Geim和K. Novoselov，以表彰他們首次發(fā)現(xiàn)了一種新型碳材料石墨烯。自此，石墨烯開始成為廣大老百姓喜聞樂見的一個高科技新名詞。各種報導(dǎo)把石墨烯描繪成了世界上最堅硬、導(dǎo)電性最好、導(dǎo)熱性最佳、透光性最佳……的神奇材料，也有報導(dǎo)說，依靠石墨烯，可以制造出性能極佳的電池，給手機電池充一次電只需數(shù)秒，卻可以使用一個星期……通過這些新聞，石墨烯似乎是一個“神一樣的存在”。那么石墨烯究竟是什么東西，它真的有傳說中的那么奇妙嗎？作為石墨烯研究領(lǐng)域的一個從業(yè)人員，逼著試著和大家一起了解一下這喧囂的石墨烯熱潮背后的門道。石墨烯和石墨實際上是本家親戚。我們都知道，石墨是極好的固體潤滑劑，這得益于石墨的晶體結(jié)構(gòu)。它完全由碳原子組成，具有層狀結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。每一層內(nèi)碳原子排列成六邊形的網(wǎng)狀，層與層之間通過微弱的原子力綁在一起，因而極容易發(fā)生相對的滑動，從而起到潤滑劑的作用。一小塊普通的石墨，里面有數(shù)十億計或更多的這種碳原子層。如果能想辦法從中間分離出一層來，這一層碳原子就是傳說中的石墨烯。圖1 石墨的晶體結(jié)構(gòu)（取自維基百科）如何從這數(shù)十億計的碳原子層中分離出一層來呢？這看似大海撈針的難題在2004年被英國的兩位物理學(xué)家A. Geim和K. Novoselov用出人意料的方式解決了。它是如此簡單，各位讀者自己在家里都可以完成。第二步是找到一個合適的基底來承載石墨烯。如圖3所示，這是一小塊硅片。硅晶圓是半導(dǎo)體行業(yè)里應(yīng)用最廣泛的材料，因而它的價格也很便宜。找來一卷透明膠帶，粘上一塊石墨，把膠帶對折幾次，就會使得石墨分成幾片。由于石墨中碳原子層與層之間的作用力很微弱，每一次被膠帶粘貼和撕開都會使得石墨一分為二。這一步的主要用意是使石墨塊里層最干凈、最新鮮的原子表面能夠暴露出來。接下來，把這剛剛撕出來的石墨表面壓到干凈的硅基底上，稍微按摩一下膠帶，再將其揭起來（像撕創(chuàng)可貼一樣），就會在硅基底上留下許多細(xì)小的石墨碎片了。這個過程其實和我們熟悉的用鉛筆寫字的過程非常類似。至此，制造石墨烯的過程就已經(jīng)完成了。接下來就是尋找石墨烯。應(yīng)該說，這一步才是Geim和Novoselov兩位先生對發(fā)現(xiàn)石墨烯做出的最重要的貢獻(xiàn)。通過光學(xué)顯微鏡，我們可以看到硅片表面粘附了大大小小許多石墨片，如圖4所示，它們呈現(xiàn)出各種顏色，并不像宏觀的石墨那樣是單一的黑色。這是因為這些石墨片都非常薄，就像水面的油膜會呈現(xiàn)出各種顏色一樣，當(dāng)石墨片薄到和可見光波長相當(dāng)（500nm左右），甚至更薄時，由于光的干涉效應(yīng)，不同厚度的石墨片也會呈現(xiàn)出各種顏色，而不是乏味的黑色。
注意，在圖4中間位置，我用箭頭標(biāo)出了一片約為1nm厚的石墨層，它看上去只有淡淡的一抹顏色。用放大1000倍的顯微鏡我們可以清晰地看到它的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。而中央那若有若無的一片淺藍(lán)就是一層石墨原子，也就是傳說中的石墨烯（注意，通過它的顏色只能初步判斷出它是石墨烯，之后再用更精密的儀器可以測定它的厚度，從而證實它是一層碳原子）。 如果把石墨烯的厚度放大到1m，那么在顯微鏡下尋找它的過程就相當(dāng)于從高空俯視，在一個邊長20000km的樣品上尋找一個尺度約為20km、高度為1m的平臺。石墨烯作為石墨的組成部分，繼承了石墨的一些優(yōu)良傳統(tǒng)——具有極佳的導(dǎo)電性。石墨是一種很好的導(dǎo)體，這一點大家用萬用表測試一下鉛筆芯就能驗證。普通大塊的石墨由于中間含有各種雜質(zhì)和缺陷，它的導(dǎo)電性能受到了局限。但是如果抽出其中一層原子，這一層完美的晶體就不再受那些雜質(zhì)和缺陷的影響，從而具有絕佳的導(dǎo)電性能。在半導(dǎo)體行業(yè)和研究領(lǐng)域，人們通常用電子的遷移率這個量來衡量導(dǎo)電性的好壞，電子遷移率越高，則電導(dǎo)率越高。以我們現(xiàn)在廣泛使用的半導(dǎo)體硅為例，其電子遷移率約為1000（單位為cm2/Vs），而石墨烯的電子遷移率輕松就可以上萬或十萬（單位cm2/Vs）。極高的電子遷移率正是這個材料引起人們無限美好愿望的開端。大家希望用它來代替硅制作電子器件，那么由于電阻降低，器件的功耗、發(fā)熱等問題都會得到極大的改善。注意，常有一些新聞報道石墨烯時，著重介紹其電子的運動速度（或者叫費米速度），說僅比光速小300倍，以此來說明它的導(dǎo)電性極佳。其實這是一個誤解。導(dǎo)體中電子的費米速度并不能衡量導(dǎo)電性的好壞。一般金屬中電子的費米速度差不多都是光速的1/300左右，以金為例，它的電子費米速度是光速的1/200左右，比石墨烯還好。遺憾的是，雖然電子遷移率很高，但是可能高得有點過了。為什么這么說呢？因為現(xiàn)在的電子設(shè)備絕大部分是基于數(shù)字電路的，是用0和1來進(jìn)行工作的，也即三極管需要提供高電阻狀態(tài)（關(guān)斷）用來代表0，低電阻狀態(tài)（導(dǎo)通）用來代表1。石墨烯完全勝任低電阻狀態(tài)，因為它的電阻率可以遠(yuǎn)低于硅。但是卻無法實現(xiàn)高電阻狀態(tài)，也就是說，用石墨烯做成的三極管無法被關(guān)斷，因而也就無法實現(xiàn)數(shù)字電路中的0。那么石墨烯有沒有別的用處呢？目前在能源領(lǐng)域有兩個熱門的方向獲得了許多關(guān)注，那就是石墨烯在超級電容和新一代鋰電池中應(yīng)用的可能。鋰電池的負(fù)極一般由活性炭組成，正極一般由鋰的化合物組成。在充滿電的情況下，鋰離子附著在活性炭表面，并且在碳表面吸引了相等量的電子，所以是呈電中性的。但是由于電子并非直接和鋰離子結(jié)合在一起，從而很容易分離。當(dāng)電池正負(fù)極之間用導(dǎo)線連接起來以后，這些電子就通過導(dǎo)線流向了正極，而鋰離子也在電池內(nèi)部從負(fù)極運動到正極，并在那里與外來的電子復(fù)合。在負(fù)極時，電子和鋰離子之間的勢能較高，當(dāng)它們復(fù)合之后，勢能變低，這其中的能量差就釋放出來，提供給了外電路，比如點亮一個LED或者推動電機轉(zhuǎn)動。大家注意到，電池的正負(fù)極內(nèi)部材料都具有層狀結(jié)構(gòu)，這有兩方面的用意，一是提供更大的表面積，讓更多的鋰離子附著，從而提高電池的容量；二是方便鋰離子進(jìn)出電極，這一過程越容易，那么充電就越快，而層狀材料提供了很多空間使得鋰離子很容易進(jìn)出。注意，電池負(fù)極所采用的活性炭是一種多孔疏松的碳材料，一個很自然的想法就是把活性炭用很多層石墨烯來取代，這樣的層狀結(jié)構(gòu)更加有規(guī)則，更方便于鋰離子的進(jìn)出，從而增加充電的速度。另一方面，還可以在石墨烯上附著其他材料，能夠吸附更多的鋰離子，從而加大電池的容量。然而，根據(jù)筆者膚淺的理解，石墨烯的引入并沒沒有帶來新的電池結(jié)構(gòu)，而只是對原有技術(shù)的一個提高。和之前介紹的超級電容的情況類似，雖然我們在實驗室里可以做出的石墨烯鋰電池的某些性能比現(xiàn)有的鋰電池要優(yōu)越，但是真正要量產(chǎn)，要在成本上和其他技術(shù)進(jìn)行比較，石墨烯離市場化還比較遙遠(yuǎn)。也許是囿于視野，筆者對于石墨烯的應(yīng)用前景并不樂觀。當(dāng)我們看到各種新聞報導(dǎo)稱贊石墨烯的種種“神跡”時，不要忘了，這些石墨烯的應(yīng)用并不是創(chuàng)造了一個個全新的技術(shù)，而只是對已有技術(shù)的提高。那么，如果要投入市場，則只有當(dāng)石墨烯技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠極大地縮小成本或極高地提升性能，才能在追求利潤的市場中生存下來。否則，僅僅是小小的技術(shù)進(jìn)步，不足以使得世界上的眾多廠家廢棄原有昂貴的生產(chǎn)線，冒著風(fēng)險，從零開始引入石墨烯。本文為 無線電雜志 微信公眾平臺原創(chuàng)文章，詳細(xì)原文請查閱《無線電》雜志2015年第2期。版權(quán)所有，歡迎個人轉(zhuǎn)發(fā)至朋友圈。公眾號、報刊等轉(zhuǎn)載請洽：radio@radio.com.cn …………………………………………………
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