石墨是一類層狀的材料，它是由一層又一層的二維平面碳原子網(wǎng)絡(luò)有序堆疊而形成的。由于層間的作用力較弱，因此石墨層間很容易互相剝離，形成薄的石墨片，這也正是鉛筆能在紙上留下痕跡的原因。這樣的剝離存在一個(gè)最小的極限，那就是單層的剝離，即形成厚度只有一個(gè)碳原子的單層石墨，這就是石墨烯。
石墨烯是一種二維晶體，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"(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。
2、石墨烯特性
石墨烯是由碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質(zhì)，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。其完美的晶格結(jié)構(gòu)，常被誤認(rèn)為很僵硬，但事實(shí)并非如此。石墨烯各個(gè)碳原子間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形。這樣，碳原子就不需要重新排列來(lái)適應(yīng)外力，這也就保證了石墨烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，使得石墨烯比金剛石還堅(jiān)硬，同時(shí)可以像拉橡膠一樣進(jìn)行拉伸。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)還使石墨烯具有優(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(lái)原子而發(fā)生散射。由于其原子間作用力非常強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。
石墨烯被證實(shí)是世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅(jiān)硬的物質(zhì)。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)James Hone等人最近發(fā)現(xiàn)，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，竟然比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這種物質(zhì)為"太空電梯" 超韌纜線的制造打開了一扇"阿里巴巴"之門，讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)(約合37000千米)太空電梯可能成為現(xiàn)實(shí)。其厚度只有0.335納米，把2000片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。單層石墨烯幾乎透明，其分子排列緊密，即使原子尺寸最小的氦也不能通過。美國(guó)機(jī)械工程師杰弗雷•基薩教授用一種形象的方法解釋了石墨烯的強(qiáng)度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上，才能戳穿只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層。
石墨烯的另一特性是，其導(dǎo)電電子不僅能在晶格中無(wú)障礙地移動(dòng)，而且速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的移動(dòng)速度。還有，其導(dǎo)熱性超過現(xiàn)有一切已知物質(zhì)。石墨烯的上述特性非常有利于超薄柔性O(shè)LED顯示器的開發(fā)。據(jù)了解，韓國(guó)三星公司的研究人員已經(jīng)制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。
●石墨烯應(yīng)用前景簡(jiǎn)介
1、可做"太空電梯"纜線
據(jù)科學(xué)家稱，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱是人類已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，它將擁有眾多令人神往的發(fā)展前景。它不僅可以開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、可以制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至還為"太空電梯"纜線的制造打開了一扇"阿里巴巴"之門。美國(guó)研究人員稱，"太空電梯"的最大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、長(zhǎng)達(dá)23000英里并且足夠強(qiáng)韌的纜線，美國(guó)科學(xué)家證實(shí)，地球上強(qiáng)度最高的物質(zhì)"石墨烯"完全適合用來(lái)制造太空電梯纜線！
人類通過"太空電梯"進(jìn)入太空，所花的成本將比通過火箭升入太空便宜很多。為了激勵(lì)科學(xué)家發(fā)明出制造太空電梯纜線的堅(jiān)韌材料，美國(guó)NASA此前還發(fā)出了400萬(wàn)美元的懸賞。
2、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，例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)法將越來(lái)越多的信息填充在信號(hào)中，它們被要求使用越來(lái)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(wú)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(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。
3、光子傳感器
石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場(chǎng)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)角色還在由硅擔(dān)當(dāng)，但硅的時(shí)代似乎就要結(jié)束。去年10月，IBM的一個(gè)研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測(cè)器，接下來(lái)人們要期待的就是基于石墨烯的太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏了。因?yàn)槭┦峭该鞯模盟圃斓碾姲灞绕渌牧暇哂懈鼉?yōu)良的透光性。
4、液晶顯示材料
從光學(xué)角度來(lái)說(shuō)，石墨烯是一種“透明”的導(dǎo)體，可以用來(lái)替代現(xiàn)在的液晶顯示材料。目前的液晶顯示器利用的是以銦為基礎(chǔ)的金屬氧化物薄膜，而銦這種金屬十分稀有，預(yù)計(jì)在未來(lái)十年內(nèi)就可能出現(xiàn)供應(yīng)短缺。另外，與目前電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品的重要原材料硅相比，石墨烯也具有諸多優(yōu)勢(shì)，因此它將來(lái)有望取代硅，在電子產(chǎn)品生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。