石墨烯(Graphene)作为碳纳米材料中的典型代表，以其具有极好的晶型和电学性能而引起了科学家的广泛景做出概关注和极大兴趣。本文一方面对石墨烯的主要制备方法以及原理进行介绍，另一方面，针对石墨烯在纳米电子器件等诸多领域的广泛应用和市场前述。低成本大批量地制备石墨烯材料对石墨烯的研究和应用意义重大。

石墨烯的制备及应用

考志强  王应男  李丽  朱立蕊  韩斯

石墨烯的制备方法

      微机械剥离法。在2004年的过程中，Geim等首人利用机械剥离方式，对定向热裂解石进行处理，可以在石墨中剥离观察到单层的石墨烯材料。Geim研究组在实际制备的过程中，可以将其宽度控制在10μm左右。且在实际研究中可以发现，单层的石墨烯并不属于一个平整的物质，在一定平面上，存在较多褶皱，褶皱的高度在8nm左右，且表面褶皱程度比双层的石墨烯结构褶皱程度大，在层数逐渐增加的情况下，褶皱程度会逐渐降低，在二维与三维转换的情况下，可以推测，石墨烯表面褶皱是二维性能机制的存活条件。利用微机械剥离的方式对其进行制备处理，可以获取质量较高的石墨烯，但是，生产了较低，成本较高，无法满足现代化工业发展需求，只能利用小规模实验室制备方式对其进行处理。

     化学气相沉积法(CVD)法。对于CVD法而言，是现代化石墨烯控制新型方式，与传统的制备方式存在差别，应用此类方式，可以减少对于颗粒状催化剂的使用，甚至不需要使用此类物质，可以对平面基底，例如：金属薄膜等，防治在甲烷等气体中对其进行处理，在高温退火的情况下，明确原子的沉淀基底，以此形成石墨烯，在利用化学腐蚀方式对表面金属进行去除处理之后，就可以获取纯粹的石墨烯片。

      外延生长法。此类方式的应用，需要对6H－SiC单晶表面，进行加热处理，使其脱附Si(0001面)原子，从而制备相关的出石墨烯[1]。首先，需要对6H－SiC单晶表面等，利用氧化或H2刻蚀处理措施开展相关工作，在超真空的环境下，对其进行加热，温度控制在1000℃左右，以便于对表面的氧化物进行去除处理，其次，需要利用俄歇电子能谱对氧化物进行完全的去除处理，保证样品的加热温度在1400℃左右，时间为15分钟左右。最后，对于制备的石墨烯而言，需要保证其碳原子层的厚度为2层左右，但是，由于SiC晶体结构的表面较为复杂，因此，难以获取大面积且厚度较高的石墨烯。

      电化学方法。在应用此类方式的过程中，需要利用电化学氧化的方式，对石墨棒进行处理，制作成为石墨烯。就是利用高纯度的石墨棒，进行平行插入，将其插入到离子液体的水溶液中，保证可以对其电压进行全面的控制，在15V左右，以此提升其工作成效。然后将石墨片与电子结合在一起，形成一定的石墨烯。

石墨烯的应用

     透明电极。在工业发展的过程中，人们开始利用商业化透明材料开展相关工作，也就是氧化铟锡(ITO)材料，主要因为铟元素的性质较为稳定，但是，由于含量较少，属于稀有物质，价格较为昂贵，在使用过程中，毒性较强，因此，在实际使用期间，存在较多限制问题。因此，可以应用现代化的炭质材料=石墨烯，其具有低纬度与低密度的优势，可以在一定程度上，形成渗透性的电网，可以替代传统的氧化铟锡材料，且此类材料的生产方式较为简单，生产成本较少，可以有效提高生产效益，达到预期的应用目的。

    传感器。在我国电化学生物传感器技术实际发展的过程中，主要应用了现代化信息技术与生物技术，是生物学与化学等多个学科交叉的产物。在研制石墨烯的过程中，可以利用传感器技术等，为其提供良好的二维环境，将边缘部分电子转移，保证可以达到良好的化学传感器制作目的。

     超级电容。对于石墨烯而言，可以对能量进行高效的储存与传递，在实际应用期间，功率的密度较大，且容量很大，可以延长实际寿命。在使用中，还具有经济性、环保性与节能性的优势。

国内外发展现状

鉴于石墨烯优异特性而带来的广阔应用前景，国际社会纷纷开展相关研发工作，各类研发中心应运而生，为如火如荼的石墨烯商业化推广及应用奠定了基础。

    国内发展。申请石墨烯专利数量最多的国家是中国，占专利总数的1/3，约两千多项。目前，已经形成各级政府机构、企业单位、科研机构协同发展的新局面，相关技术及应用方面的研究院及产业化基地如雨后春笋在各地陆续出现。在石墨烯产业化发展方面，中国涌现一批拥有技术专利与应用成果的优秀企业，如常州第六元素公司等，产业发展的方向集中在石墨烯的制备、储能等领域。

     国外发展。代表石墨烯国外发展的国家是英国和美国。众所周知，英国作为最早发现石墨烯的国家，科研水平一直走在时代前沿，但相关应用研究及产业化发展明显落后于亚洲国家。美国是科研与应用同步发展最好的国家，无论是石墨烯科研投入还是产业基地发展都具有显著的超前性，此外，利用良好的创新创业环境催生出众多小型石墨烯企业，形式灵活，创新动力强劲。

     行业展望

根据目前行业的发展，石墨烯的研究和制备正在经历重大的发展爬坡期。未来主要集中在两方面的研究：一是石墨烯制备研究，包括制备的方法，制备设施的跟进与完善；二是石墨烯应用拓展，利用石墨烯材料特性开发新的应用增长点，培养扶植新的应用产业。其中石墨烯制备方法的研究成当前行业的主攻方向，在应用研究领域，近三年为爬坡点，每年产能都会成倍的翻升。

     专利方面。很多企业已经展开了相应专利布局，中国是石墨烯专利技术申请最多的国家，工业化应用发展具有得天独厚的优势。但专利申请的质量普遍不高，有待继续加强。

      产品制造方面。未来的3-5年，低成本制备将成为行业研究的热点，但目前的行业发展呈现多形态，水平参差不齐。

     产品类型拓展方面。石墨烯的产品发展将重点集中在膜材和粉材上。粉材主要作为添加剂使用，而且石墨烯作为添加剂的应用范围巨大，根据添加的比例及添加的场所不同能产生不同的新材料应用效果。该领域前景看好，目前已实现无重金属工业化发展规模。添加剂还可以用在涂料等领域。膜材主要在触摸板等产品应用上，目前石墨烯薄膜行业已经摆脱了对尺寸，对均匀度的限制，可以生产尺寸大的石墨烯薄膜，将进一步提升工业应用的范围。此外，未来5到10年石墨烯电子器件工业化应用将迎来巨大的商机，未来石墨烯工业化应用将集中在环保、导热等应用领域。

石墨烯作为一种新型材料，规模化商业应用正渐露端倪。中国石墨烯市场前景广阔，但竞争会异常激烈，在技术层面，提高石墨烯纯度仍是关键。专利布局，产品制造和产品类型拓展方面还有待随市场发展而不断调整，未来的3-5年，低成本产品制造将成为可能，5-10年石墨烯电子器件工业化应用将迎来巨大的商机。

（作者单位：辽宁通正检测有限公司 ）