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2010年，諾貝爾物理學獎授予了英國兩位物理學家A. Geim和K. Novoselov，以表彰他們首次發(fā)現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。各種報導把石墨烯描繪成了世界上最堅硬、導電性最好、導熱性最佳、透光性最佳……的神奇材料，也有報導說，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構。它完全由碳原子組成，具有層狀結構（如圖1所示）。每一層內碳原子排列成六邊形的網狀，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。如何從這數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。硅晶圓是半導體行業(yè)里應用最廣泛的材料，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完成了。接下來就是尋找石墨烯。應該說，這一步才是Geim和Novoselov兩位先生對發(fā)現石墨烯做出的最重要的貢獻。通過光學顯微鏡，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出各種顏色一樣，當石墨片薄到和可見光波長相當（500nm左右），甚至更薄時，由于光的干涉效應，不同厚度的石墨片也會呈現出各種顏色，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構，如圖5所示。而中央那若有若無的一片淺藍就是一層石墨原子，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——具有極佳的導電性。石墨是一種很好的導體，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和缺陷，它的導電性能受到了局限。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和缺陷的影響，從而具有絕佳的導電性能。在半導體行業(yè)和研究領域，人們通常用電子的遷移率這個量來衡量導電性的好壞，電子遷移率越高，則電導率越高。以我們現在廣泛使用的半導體硅為例，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，以此來說明它的導電性極佳。其實這是一個誤解。導體中電子的費米速度并不能衡量導電性的好壞。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？因為現在的電子設備絕大部分是基于數字電路的，是用0和1來進行工作的，也即三極管需要提供高電阻狀態(tài)（關斷）用來代表0，低電阻狀態(tài)（導通）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低于硅。但是卻無法實現高電阻狀態(tài)，也就是說，用石墨烯做成的三極管無法被關斷，因而也就無法實現數字電路中的0。那么石墨烯有沒有別的用處呢？目前在能源領域有兩個熱門的方向獲得了許多關注，那就是石墨烯在超級電容和新一代鋰電池中應用的可能。鋰電池的負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合在一起，從而很容易分離。當電池正負極之間用導線連接起來以后，這些電子就通過導線流向了正極，而鋰離子也在電池內部從負極運動到正極，并在那里與外來的電子復合。在負極時，電子和鋰離子之間的勢能較高，當它們復合之后，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或者推動電機轉動。大家注意到，電池的正負極內部材料都具有層狀結構，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出。注意，電池負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，這樣的層狀結構更加有規(guī)則，更方便于鋰離子的進出，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，根據筆者膚淺的理解，石墨烯的引入并沒沒有帶來新的電池結構，而只是對原有技術的一個提高。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有的鋰電池要優(yōu)越，但是真正要量產，要在成本上和其他技術進行比較，石墨烯離市場化還比較遙遠。也許是囿于視野，筆者對于石墨烯的應用前景并不樂觀。當我們看到各種新聞報導稱贊石墨烯的種種“神跡”時，不要忘了，這些石墨烯的應用并不是創(chuàng)造了一個個全新的技術，而只是對已有技術的提高。那么，如果要投入市場，則只有當石墨烯技術和現有技術相比，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，僅僅是小小的技術進步，不足以使得世界上的眾多廠家廢棄原有昂貴的生產線，冒著風險，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，詳細原文請查閱《無線電》雜志2015年第2期。版權所有，歡迎個人轉發(fā)至朋友圈。公眾號、報刊等轉載請洽：radio@radio.com.cn …………………………………………………
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