1。1。二维晶体材料简介

 1。1。1石墨烯

英国科学家Geim等人在2004年通过胶带不断剥离的方法得到了第一片单层石墨烯1，这是人类在室温条件下第一次得到稳定的二维晶体材料。石墨烯简单的说就是单层石墨片，也属于碳。石墨是由碳原子组成的二维结构，具有六边形结构，有单层和多层的之分，石墨烯原子层和层之间有微弱的范德华力。当石墨层数逐渐减少到只有一层的时侯，就形成石墨烯。

石墨烯是目前最理想的二维纳米材料，其组成单元是稳定的六边形结构。石墨烯是有碳剥离而成的，如图1。1，二维石墨烯构成可以构成一维，二维和三维材料。石墨烯的每个碳原子都为sp2 杂化2，剩余p 轨道上的所有电子形成一个大π键，石墨烯良好的导电性是由自由移动的π电子形成的。

在石墨烯发现之前，石墨烯理论的预测及研究已经开始。70多年以前，Landau3和Peierls4预言：在严格的二维晶体材料中，由于热涨落因素具有热力学不稳定性，它不是孤立的，研究比较困难。即使这样，也不能阻挡石墨烯的发现，在理论和实验上从未停止过对石墨烯的探索。直到2004年Geim 等1采用了采用微机械剥离法成功的制备出了石墨烯，引起研究者广泛关注，不断的对石墨烯进行深入研究，也慢慢发现其独特优异的物理化学性能，努力向工业化应用方向发展，可以说石墨烯作为二维晶体材料有着非常好的应用前景。论文网

图1。1 二维石墨烯构建零维、一维及三维碳材料的示意图5

    石墨烯具有许多优良的物理化学性质，在力学，电学，光学，物理学，化学等都有着卓越的性能。比如石墨烯是迄今为止世界上最薄、最坚硬的材料之一6；石墨烯还具有优良的光学性能，单层石墨烯吸收2。3%的光，因而其透光率达97%，几乎是完全透明的7；这使石墨烯在太阳能电池和液晶屏幕等方面都可以有更大的应用。

    随着研究的不断深入，目前已有多种制作石墨烯方法。

    机械剥离法；诺贝尔奖获得者Geim 和Novoselov 8等采用微机械剥离法在实验室第一次得到了石墨烯。这种方法简单的讲就是将石墨片黏在特制的胶带上，通过反复撕开最终得到单层的石墨烯，这种方法操作简单，得到石墨烯肉眼可见，比较完整，引起了科学家的关注，但效率较低，得到石墨烯尺寸较小，无法控制。

液相剥离法；液相剥离法也是制备二维晶体材料一种比较常用的方法，该方法是以石墨为原料，然后选择恰当的有机溶剂对石墨进行超声，使有机溶剂降低石墨烯原子层之间微弱的范德华力，从而制备出单层或多层的石墨烯。液相剥离法是一种物理的制备方法，该方法制备出的石墨烯缺陷较少，生产石墨烯的石墨烯质量较高。但缺点是制备过程复杂，超声离心花费时间较长。图1。2为石墨烯液相剥离法示意图，从图中我们可以清楚地看出从加入有机溶剂到剥离石墨烯整个剥离过程。

图1。2以膨胀石墨烯为原料经液相剥离法制备石墨烯9

    化学气相沉积；是将反应物质放在一定的温度、气态条件下发生化学反应，从而制备出样品的过程。化学气相沉积法提是一种备石墨烯的理想方法，此方法制备出的石墨烯面积达平方厘米级，其最大的优点在于成本低，工艺成熟，可制备出面积较大的石墨片，是目前制作石墨烯比较常用的方法。

   氧化还原法；氧化还原法是先将石墨氧化，在石墨层之间插一些物质，增加原子层间距，降低范德华力，使石墨层之间引力变小，便于石墨层的剥离，再通过还原剂还原剥离下来的石墨片层，制备出大面积石墨烯。这种方法设备简单，成本低廉有利于工业化生产，是未来大规模制备石墨烯的最佳途径之一。氧化还原法目前有三种Hummers 法10、Brodie 法11、Staudenmaier 法12。