石墨烯(英文名:Graphene)是碳由sp2雜化軌道組成六元環呈蜂窩狀的二維碳納米材料，是一種碳單質，擁有較高的比表面積，良好的導熱性、導電性、化學穩定性以及半整數的量子霍爾效應。因其這些性質，石墨烯能夠作為電極材料、電子器件、光學器件、傳感器等。石墨烯可以通過機械剝離、化學氣相淀積（CVD）、氧化還原、電化學等方法合成。英國科學安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖羅夫（Konstantin Novoselov）在2004年首次成功剝離石墨得到單層石墨烯，并因此獲得2010年諾貝爾物理學獎。
石墨烯邊界可以連接一些新的基團生成其衍生物。如連接含氧基團（如-OH, C-O-C, C=O, -COOH）生成氧化石墨烯（GO）、連接鹵族元素生成鹵素石墨烯、連接含硫基團生成硫代石墨烯。當石墨烯材料的尺寸（一般應在100納米以下）小到出現量子效應，便可稱作石graphene墨烯量子點（GQD）。
發現歷史
1948年，奧地利科學家魯斯（Ruess）和瓦格（Vog）最早利用透射電子顯微鏡拍攝了少量石墨烯層（3-10層）的圖像。
2002年，美籍華人張博增和黃文申請美國專利《Nano-scaled graphene plates》（中文名：納米石墨烯板；專利號：7071258 B1），并在2006年獲得批準。該專利主要描述了一種提取石墨礦烯的方法，即以一片或多片石墨為原料，通過平面狀剝落技術和機械獲得石墨烯，但只能得到厚度較大的多層石墨烯。
2004年，英國科學家安德烈·海姆（Andre Geim）、康斯坦丁·諾沃肖羅夫（Konstantin Novoselov）等人所發表的《Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films》中提到，以高度定向熱解的石墨為原料，經重復機械剝離能夠制備厚度到幾個原子層甚至單層的石墨烯。單層的石墨烯是準二維結構的碳材料，是繼零維的富勒烯、一維的碳納米管之后發現的新型碳單質。安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖羅夫（Konstantin Novoselov）因為在石墨烯方面的開創性工作獲得2010年諾貝爾物理學獎。
2005年，麥克馬斯特大學教授古賽寧（Gusynin）和沙拉波夫（Sharapov）發現石墨烯中的半整數量子霍爾效應，并證實石墨烯的準粒子是無質量的狄拉克費米子。
2018年，中國科學家曹原發現當兩層平行石墨烯在-271 ℃（即1.7K）低溫下組成1.1°的夾角時，就會發生超導現象，此時，石墨烯成為零電阻、抗磁性的超導體。
化學結構
石墨烯是一種二維結構的碳單質，即單層石墨分子。每個碳原子以sp2雜化形式連接形成六元環蜂窩狀的二維結構。經研究證實，石墨中碳原子的配位數為3，可形成3個sp2-sp2的σ鍵，這使得其結構十分穩定。不僅如此，每個碳原子垂直于層平面的pz軌道能夠形成類似苯六元環的多原子大π鍵。石墨烯中的C-C鍵長約為0.142 nm，鍵角為120°，石墨烯厚度僅為0.35 nm。石墨烯也可以進一步彎曲成零維的富勒烯和一維的碳納米管，或堆積成三維的石墨。
石墨烯可以通過透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、光學顯微鏡、原子力顯微分析、拉曼光譜等技術表征。
理化性質
物理性質
石墨烯是目前已知強度最高的材料之一，耐受力十分強。其不僅硬度較大，而且具有良好的彈性，楊氏模量高達1100 GPa，二階彈性剛度和三階彈性剛度分別為340 N/m和?690 N/m，斷裂強度為42 N/m，這些實驗數據證明石墨烯具有良好的強度；此外，石墨烯還具有出色的導熱性。但是經修飾后的石墨烯力學性能會發生變化，如氧化后的石墨烯彈性模量和極限拉伸強度顯著降低。
由于石墨烯中π鍵上的電子，自由活動能力很強，使其載流子遷移效率為15000 cm2/(V.s)，即光速的1/300，因此石墨烯的電阻率小，導電性能十分優越。理想的單層石墨烯是零隙帶的半導體。不僅如此，曹原等人發現當兩層平行的石墨烯扭曲1.1°時會發生超導現象，電阻直接降為零。經研究，石墨烯的準粒子是無質量的狄拉克費米子，并且具有半整數的量子霍爾效應（QHE），其溫度范圍比其他二維材料寬10倍，所以在室溫下即可觀察到石墨烯中QHE，而不是需要低溫的極端條件。在一定條件下，石墨烯還可以觀察到Klein隧穿，Klein隧穿是指相對論物體可以通過所有勢壘，即使是高勢壘。
石墨烯是一種理想的自旋電子學材料。由于石墨烯的自旋-軌道耦合作用和超精細相互作用十分微弱，且碳元素幾乎沒有磁核矩，導致石墨烯的自旋壽命較長，其電子自旋可作為良好的量子比特。在室溫下，石墨烯的自旋輸運能夠達到幾個微米。
石墨烯在常溫常壓下是接近透明的固體，具有透光性，而且石墨烯在紅外區間具有非常突出的非線性光學特性，其非線性折射率為10?? cm2/ W，遠遠高于一般塊狀的電解質。根據石墨烯的此特性將其用于光通信、光傳感中的光電子器件領域。
化學性質
石墨烯呈蜂窩網狀結構，相鄰碳原子以σ鍵相連，垂直于平面方向具有π鍵，其基本結構單元是苯環，這樣的結構特征使其骨架穩定不易被破壞，在常溫下就表現出良好的穩定性。因此，石墨烯的反應活性更多地集中在邊界基團和平面缺陷。
石墨烯可以在高溫下被氧化或與氧化性酸（如硝酸）反應，生成CO、CO?。不僅如此，石墨烯可以在邊界上連接含氧基團（如-OH，C-O-C，C=O，-COOH），變成氧化石墨烯（GO）。含氧基團含量越大，氧化程度越大。氧化后的石墨烯親水性增強，在水中具有良好的分散性，對濕度的靈敏性也增加。
石墨烯具有氧化性，可以與活潑金屬（如金屬鉀）反應，打開部分雙鍵形成碳化物。
因石墨烯結構中含碳碳雙鍵，可以發生加成反應。
石墨烯可以生成多種衍生物，如石墨烷、石墨炔、氟石墨、石墨醇等，經修飾后的石墨烯物理和化學性質均會發生影響。
①天然石墨
氫化后的石墨烯即石墨烷，在高氫化石墨烯中觀察到了磁有序結構，而完全氫化后的石墨烯是一種寬帶隙半導體。
②鹵族元素石墨烯
鹵素石墨烯是在石墨烯的邊界連接鹵素原子，其中石墨烯表現出特別的性能。當石墨烯連接氟時，高電負性導致帶隙開放，電帶隙超過約3.8eV，可以作為層狀材料異質結構中的絕緣體。而且氟石墨烯還具有良好的熱穩定性、大的負磁阻、高光學透明度等特性。
③氧化石墨烯（GO）
氧化石墨烯（GO）包括羧基石墨烯、石墨醇等。當石墨烯邊界連接含氧基團（如-OH，C-O-C，C=O，-COOH）時，由于這類基團基本都是親水性官能團，顯著提高了石墨烯在水環境中的分散性和穩定性，它們的存在還提高了石墨烯的力學性能，保留導電性等其他性能。
制備方法
物理制備法
固相機械剝離法
固相機械剝離法是利用機械力重復切一塊石墨，直到得到石墨烯薄層的方法。施加的機械力可以克服石墨烯結構相鄰層之間的范德華引力，打破分子間作用力勢壘，分離兩層石墨烯。2004年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫利用透明膠帶對高度定向熱解的石墨進行機械剝離得到首個單層石墨烯。這種方法可以得到高質量的石墨烯層，但是費時費力、不可控因素較多、難以大規模制備，也很難制得大面積石墨烯。
中國科學家趙偉峰等人發明了一種球磨剝離石墨制備石墨烯的方法，該方法需要在球磨過程中添加合適的溶劑。這種方法可以以低成本從厚石墨薄片中批量生產晶體結構完整的石墨烯薄片，而且能夠用于大規模生產。
液相溶劑剝離法
液相溶劑剝離法是將石墨礦片或石墨衍生物分散于溶劑（如N,N-二甲基甲胺、鄰二氯苯、N-甲基吡咯烷酮）中，再用超聲、加熱等方法得到石墨烯的方法。這種方法可以保持石墨烯結構和導電性能不被破壞，但是經常會有石墨烯團聚的現象。超聲法雖然非常簡單，適合在實驗室制備石墨烯薄片，但超聲法制備的石墨烯的濃度非常低，不利于實際使用。而且需要注意超聲時間，過度的超聲處理會破壞石墨烯的結構。
化學制備法
氧化還原法
氧化還原法是將天然石墨通過熱處理或在邊界連接含氧基團進行氧化，再經過外力剝離得到單層氧化石墨烯，最后將氧化石墨烯還原得到石墨烯的方法。氧化后的石墨烯表面和邊緣存在大量的羥基（-OH）、羧基（-COOH）、羰基（C=O）、環氧（C-O-C）等基團，此時石墨的親水性能增加，石墨層間距離從0.34 nm擴大到約0.78 nm，有利于后續剝離。因為氧化石墨烯在水中的分散性和穩定性能較好，所以外力剝離時可以選擇超聲震蕩的方法，這樣可以得到分布均勻的氧化石墨烯。最后再用強還原劑還原氧化石墨烯，除去含氧基團。常用的還原方法有：熱還原法、電化學還原法、微波還原法、等離子體還原法等。這種方法成本低、產量高，可以高效地制備出大面積獨立的單層石墨烯，適用于大規模生產。生產出的石墨烯可以應用于光電池和電化學裝置等領域。
化學氣相沉積法（CVD）是目前工業上應用最廣泛的一種制備石墨烯薄膜材料的方法之一。它是利用高溫可分解的含碳化合物作為碳源，通過高溫退火使石墨烯在基體表面生長，最后從基體表面移除獲得石墨烯薄片。一般碳源可選擇甲烷、甲醇、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、聚合物等，基體多為金屬Ni、Pt、Ru。但經研究，碳源還可以為餅干、巧克力、草、塑料、蜚蠊目等物質，而且選擇這些物質合成石墨烯更加的低成本、無毒以及綠色。石墨烯轉移可以利用濕轉移法和干轉移法，濕轉移法即腐蝕基體法，可將石墨烯從硅片表面轉移到其他基體（如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA））上，再利用丙酮清洗掉PMMA，實現石墨烯的轉移。CVD中碳源、基體、溫度、壓力的選擇都會影響石墨烯的生長速度和形態面積。這種方法簡單易行可控、可以制備出質量高面積大的石墨烯，但成本較高。
電化學法
電化學法是在水溶液或有機電解質中的石墨工作電極上應用陰極或陽極電勢的方法。使用陽極電位有助于將負的陰離子插入到石墨礦層中，導致石墨逐漸膨脹，然后連續脫落形成石墨烯薄片。但這會在生產的石墨烯中引入大量的氧基團，并對其電學性能產生影響。若使用陰極電位，會驅動陽離子插入到石墨層，然后膨脹和剝離。這種方法與陽極電位法相比，所花費的時間較長，但會產生更高質量的石墨烯薄片。在水相電解質中，水相中的自由基（·OH和·O）會促進陰離子的插入，使用陽極電位對石墨電極進行電化學剝離更有效，但是會得到更多缺陷和氧基團的石墨烯。電化學制得的石墨烯性能與電解質種類、濃度等均有關系，制備過程中可以通過改變模板從而改變石墨烯形狀。
外延生長法
外延生長法是指在高溫下加熱碳化硅(SiC)單晶體，脫除SiC表面的Si原子留下C原子重構，繼而獲得與原SiC差不多面積的石墨烯薄層。這種方法能夠制備出1-2個碳原子層厚的石墨烯，但是該方法不能獲得大面積厚度均一的石墨烯層。所制得的石墨烯表現出較高的載流子遷移率等特性，但無法觀測到量子霍爾效應。該方法可用作石墨烯襯底的物質有SiC，sio?，GaAs，Cu，Ni，Co，Ru，Au，Ag等。
應用領域
生物醫學應用
石墨烯具有生物相容性，特別有利于神經元的附著和生長。當神經元附著在石墨烯涂層的表面，不僅能夠維持正常形態和代謝，還能形成神經炎突起。石墨烯的生物醫學應用是21世紀初才開始研究的。石墨烯因其獨特的生物活性性能，具有抗菌、抗血小板和抗癌活性。
①癌癥治療
聚乙二醇功能化的納米氧化石墨烯（NGO-PEG）可以在生物溶劑中有較高溶解性和穩定性，可以用于消除腫瘤細胞和體外藥物承載與成像。相比于碳納米管，聚乙二醇功能化的納米氧化石墨烯（NGO-PEG）不僅對腫瘤靶向識別效率高，而且該材料在皮組織中殘留較少。經研究，在靜脈注射納米石墨烯(NGS)并在腫瘤移植部位用低強度近紅外（NIR）激光照射后，通過低溫效應非常有效地消除腫瘤，且血液分析等結果表明沒有明顯副作用。
功能化的氧化石墨烯也可以用于治療癌細胞。如將光敏劑分子Ce6裝載到聚乙二醇（PEG）功能化的氧化石墨烯（GO）上可得配位化合物GO-PEG-Ce6，該復合物不僅具有良好的水溶性，而且可以顯著破壞癌細胞光動力。
②藥物傳遞
藥物傳遞系統目的是定位治療藥物的傳遞，氧化石墨烯可以在多層薄膜中創建屏障層，捕獲感興趣的分子進行控制釋放，因此可以作為藥物傳遞的載體。如氧化石墨烯與活性靶向配體TRC105的功能化提高了血管生成的治療效果。聚乙二醇功能化的納米氧化石墨烯（NGO-PEG）可以將水不溶性芳香族抗癌藥物注入細胞，如可以將抗癌藥物阿霉素（DOX）靶向運輸至腫瘤細胞。
③生物成像
近年來，石墨烯基納米復合材料能夠制作新一代生物傳感器、細胞和生物成像的生物傳感器、納米載體和探針的新生物材料，可以用于多模態生物成像和成像引導的癌癥治療。石墨烯是生物分子成像的優秀底物，可以引入用于脫氧核糖核酸測序的納米孔或作為神經刺激電極的組成部分。石墨烯和石墨烯衍生物能夠檢測各種生物分子，如多巴胺、氨基酸、凝血酶等。經研究發現，聚乙二醇（PEG）連接熒光染料再與納米氧化石墨烯（NGO）結合的化合物可以在細胞內成像。PEG分子可以防止由NGO導致的染料熒光淬滅，有效提高了NGO的化學穩定性和生物相容性，以及增強了細胞對該配位化合物的吸收。
在電極中的應用
石墨烯具有良好的導電性，室溫下載流子遷移效率高達15000 cm2/(V.s)，電阻小，因此石墨烯可作為電極材料。再加上它良好的柔展性、化學穩定性和高比表面積、機械強度，可以作為超級電容器、傳感器等電子器件的電極。如將石墨烯涂在玻璃或聚合物支架上以制造透明導電電極，逐層堆疊石墨烯可以提高薄片的電導率，然而多層石墨烯透明度下降，使用的石墨烯厚度通常不能超過四層。
石墨烯修飾后的電極電化學特性發生改變。如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）功能化的石墨烯修飾電極，修飾后的石墨烯具有親水性，可以分散在水相中，而且從電化學結果可知，它對O?和H?O?的還原有很好的電催化作用。因其生物相容性，也可以做生物電化學傳感器。如將葡萄糖氧化酶（GOD）固定在石墨烯表面，構建了葡萄糖電化學傳感器，不僅表現了良好的電子轉移特性，而且保持了生物電催化活性，響應線性范圍在2-14 mmol·L-1之間。
在電池材料中的應用
碳材料如無定形碳、多孔碳、石墨烯等已經廣泛地應用于燃燒電池中，這些材料具有較大的比表面積和良好的催化活性，可以提高電池的比容量和改善電子的轉移，并進一步幫助加速反應物（即燃料）電催化活性表面。例如用石墨烯設計的質子交換膜燃料電池（PEMFCs）可以產生高功率密度，提高38%的電流密度、257%的提高離子電導率。石墨烯應用鋰離子二次電池，如合成的石墨烯-SnO?，可作鋰離子二次電池的負極材料，提高了比容量和循環穩定性。
石墨烯可以在太陽能電池中作為電極材料，并且發揮各種使能（控制信號的輸入和輸出）作用，從而導致PCE的整體改進。石墨烯可以作為太陽能電池接觸點中的超薄、透明的擴散勢壘，作為串聯太陽能電池的中間層，作為電子受體等。部分功能化的石墨烯會增加石墨烯載流子密度（減少電池串聯電阻），增加電池的內置電勢，提高太陽能電池性能。如利用四氰基苯醌二甲烷修飾石墨烯，制得的配位化合物做太陽電池中的透明電極，在光照為AM1.5時，能量轉化率約為2.58%。
在超級電容器中的應用
石墨烯因為具有超高比表面積、良好的導電性能和化學穩定性等特性可作為黃金電容儲能。超級電容器可分為雙層電容器、贗電容器和非對稱電容器，石墨烯主要應用于雙層電容器。但是石墨烯自身存在著缺陷以及石墨烯片與片之間的分子間作用力較強容易造成團聚，所以一般利用反應性基團和過渡金屬氧化物粒子對石墨烯表面改性，提高石墨烯的分散性和電化學性能。如利用二硫化鉬（MoS?）粒子對石墨烯改性后的配位化合物形成了球狀結構，導電網絡相互聯系，不僅有效地促進了電荷運輸和電解質擴散過程,而且有效防止了體積膨脹收縮以及吸電放附過程中石墨烯易團聚的弊端。該復合物也表現出了良好的循環穩定性，1000次循環后比電容只減少了7.7%。
在光學器件中的應用
石墨烯在常溫常壓下是接近透明的固體，具有透光性。它在紅外區間具有非常突出的非線性光學特性，其非線性折射率為10?? cm2/ W。石墨烯具有高靈敏、良好的非線性光學特性以及抗電磁干擾能力，能夠作為光纖傳感器、光開關等光學器件。石墨烯還在在圖像處理、光學存儲及人員和器件保護等諸多光學領域有重要的應用。
儲氫材料
氫氣作為一種新型清潔能源，是解決未來能源緊缺問題的政策之一。但其在常溫常壓下難以運輸，所以需要借助儲氫材料這個載體儲存。碳基材料如活性碳、富勒烯、碳納米管、石墨烯都可以作為儲氫材料，但石墨烯基材料物理吸附氫氣的結合能增加，因此比其他碳材料具有優勢。石墨烯的功能化可以調整材料的化學反應性、表面積、孔隙率和層間間距等特性，從而提高吸附能力，降低吸附能壘。原始石墨烯的儲氫能力較差，但加入過渡金屬、主基金屬、金屬納米團簇、含氮化合物等摻雜材料的石墨烯后，氫和石墨烯之間的分子間結合能在0.2-0.8 eV區域（物理吸附和化學吸附之間）調整，使其能夠有效儲存氫。
研究進展
2024年1月7日，天津大學天津納米顆粒與納米系統國際研究中心的馬雷教授研究團隊研究成果《碳化硅上生長的超高遷移率半導體外延石墨烯》，成功攻克長期以來阻礙石墨烯電子學發展的關鍵技術難題，打開了石墨烯帶隙。研究團隊通過對外延石墨烯生長過程的精確調控，成功地在石墨烯中引入了帶隙，創造了一種新型穩定的半導體石墨烯。該項成果已在《自然》雜志網站上在線發布。
2025年2月，中國科學家開發了一種名為“石蠟輔助浸入法”的新技術，制備出具有可控手性的石墨烯卷，為未來量子計算和自旋電子器件的發展奠定了堅實基礎。由天津大學教授胡文平、雷圣賓、李奇峰和副教授沈永濤帶領團隊取得的這一研究成果發表在國際權威期刊《自然·材料》上。實驗結果表明，制備出的左旋和右旋石墨烯卷表現出顯著的光學活性和優異的自旋選擇性效應。通過精確控制手性角度，研究人員還實現了手性誘導的自旋選擇性調控，這一特性使石墨烯卷在自旋電子學領域具有獨特的應用潛力。此外，研究團隊還發現，電子主要沿著石墨烯卷的一側移動，從而產生優先自旋極化。這種手性誘導的自旋選擇性效應為開發高效的自旋濾波器和自旋電子器件提供了新的可能性。
參考資料 >
Uspto：Nano-scaled graphene plates[DB/OL]..United States Patent/patft.uspto.gov.2022-09-01
天津大學納米中心半導體石墨烯研究取得新突破.人民網.2024-01-08
我國科學家制備出可控手性石墨烯卷.百家號.2025-02-26