1.?輕量化與高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)

潛力點(diǎn)：

• 石墨烯的強(qiáng)度是鋼的200倍，密度僅為鋼的1/5，可大幅降低機(jī)器人骨架和關(guān)節(jié)部件的重量，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
• 柔性石墨烯復(fù)合材料可用于仿生關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，提升運(yùn)動(dòng)靈活性。

2.?柔性傳感系統(tǒng)

突破性應(yīng)用：

• 石墨烯基電子皮膚（如三星2022年展示的拉伸率40%的傳感器）可提供0.1kPa級(jí)壓力靈敏度，接近人類皮膚觸覺(jué)。

應(yīng)變傳感器響應(yīng)時(shí)間<10ms，適用于實(shí)時(shí)力反饋控制。
產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀：

• 劍橋大學(xué)團(tuán)隊(duì)已開(kāi)發(fā)出可識(shí)別紋理的仿生指尖（空間分辨率0.1mm），但量產(chǎn)一致性仍待解決。

3.?高效能源系統(tǒng)

電池技術(shù)：

• 石墨烯增強(qiáng)鋰硫電池理論能量密度達(dá)500Wh/kg（特斯拉4680電池為300Wh/kg），充電速度提升5倍。
• 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）2023年開(kāi)發(fā)的石墨烯-硅負(fù)極材料可將循環(huán)壽命提升至1200次。

散熱管理：

• 石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)5300W/m·K，比銅高10倍，可用于高密度電機(jī)散熱，使功率密度提升30%以上。

4.?神經(jīng)形態(tài)計(jì)算

前沿方向：

• 石墨烯憶阻器可實(shí)現(xiàn)0.1ns級(jí)突觸響應(yīng)，功耗低至10fJ/脈沖（對(duì)比傳統(tǒng)CMOS的100fJ）。
• 曼徹斯特大學(xué)2021年實(shí)現(xiàn)256節(jié)點(diǎn)石墨烯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，能效比提升100倍。

5.?商業(yè)化時(shí)間軸

• 短期（2025年前）：柔性傳感器、熱管理材料率先應(yīng)用（如特斯拉Optimus已測(cè)試石墨烯散熱膜）
• 中期（2025-2030）：結(jié)構(gòu)件和電池技術(shù)進(jìn)入量產(chǎn)階段
• 長(zhǎng)期（2030+）：神經(jīng)形態(tài)芯片可能顛覆傳統(tǒng)控制架構(gòu)

結(jié)論：石墨烯將在未來(lái)5-10年逐步滲透人形機(jī)器人關(guān)鍵子系統(tǒng)，可能帶來(lái)整體性能30%-50%的提升。

但需注意其產(chǎn)業(yè)化速度受制于材料制備工藝、跨學(xué)科整合能力和應(yīng)用場(chǎng)景的匹配度。

1. 結(jié)構(gòu)差異

• 石墨烯
  • 二維蜂窩狀單層結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子通過(guò)?sp2雜化?形成三個(gè)共價(jià)鍵。
  • 未參與雜化的?p軌道電子?形成離域的?π鍵網(wǎng)絡(luò)（即共軛大π鍵），覆蓋整個(gè)平面。
• 金剛石
  • 三維四面體結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子通過(guò)?sp3雜化?形成四個(gè)共價(jià)鍵。
  • 所有價(jià)電子均被束縛在共價(jià)鍵中，無(wú)自由電子。

2. 導(dǎo)電性差異

石墨烯導(dǎo)電的原因

• 電子自由移動(dòng)：
  離域的π電子可以在整個(gè)平面內(nèi)自由移動(dòng)，形成類似金屬的?電子氣，賦予石墨烯極高的導(dǎo)電性。
• 零帶隙特性：
  石墨烯的導(dǎo)帶和價(jià)帶在狄拉克點(diǎn)交匯（即帶隙為零），電子只需極小能量即可躍遷，表現(xiàn)出類金屬導(dǎo)電性。

金剛石不導(dǎo)電的原因

• 完全共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)：
  所有價(jià)電子被束縛在sp3雜化的共價(jià)鍵中，無(wú)自由電子或空軌道可供電子遷移。
• 寬禁帶半導(dǎo)體：
  金剛石的帶隙高達(dá)?5.5 eV，常溫下電子無(wú)法跨越帶隙進(jìn)入導(dǎo)帶，因此是絕緣體。

3. 導(dǎo)熱性共性

兩者均能導(dǎo)熱的機(jī)制

• 石墨烯的高導(dǎo)熱性：
  • 聲子主導(dǎo)：二維結(jié)構(gòu)允許聲子（晶格振動(dòng)）高效傳遞熱量，聲子平均自由程長(zhǎng)。
  • 電子輔助：自由電子也能通過(guò)碰撞傳遞能量，但主要貢獻(xiàn)來(lái)自聲子。
• 金剛石的高導(dǎo)熱性：
  • 純聲子傳熱：sp3鍵形成的剛性三維晶格使聲子振動(dòng)高度有序，聲子散射極少，導(dǎo)熱率甚至高于金屬（約?2000 W/m·K）。

4. 對(duì)比總結(jié)

5. 實(shí)際應(yīng)用

• 石墨烯：
  • 用于柔性電子器件、超快晶體管、透明導(dǎo)電薄膜（替代ITO）。
  • 導(dǎo)熱用于散熱材料（如芯片散熱涂層）。
• 金剛石：
  • 導(dǎo)熱用于高功率激光器散熱基板、半導(dǎo)體封裝。
  • 絕緣性使其成為高壓設(shè)備的理想窗口材料。

結(jié)論

石墨烯的 離域π電子?賦予其導(dǎo)電性，而金剛石的?全共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)?導(dǎo)致絕緣性；兩者的高導(dǎo)熱性則源于各自高度有序的晶格結(jié)構(gòu)，但傳熱機(jī)制不同（石墨烯聲子+電子，金剛石僅聲子）。這種差異本質(zhì)上是碳原子雜化方式（sp2 vs. sp3）的直接體現(xiàn)。

氧化石墨烯的作用機(jī)理分析如下：

1.?高本征力學(xué)性能的承載作用

• 高強(qiáng)度與高模量：氧化石墨烯繼承了石墨烯的高力學(xué)性能（如彈性模量約1 TPa，強(qiáng)度130 GPa），作為納米增強(qiáng)體直接承受外部載荷，顯著提升復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度。
• 應(yīng)力傳遞效率：其二維片層結(jié)構(gòu)在基體中分散后，通過(guò)剪切應(yīng)力將載荷從基體傳遞到GO片層，延緩基體塑性變形。

2.?界面結(jié)合的優(yōu)化

• 化學(xué)鍵與氫鍵作用：GO表面的含氧官能團(tuán)能與聚合物基體形成氫鍵或共價(jià)鍵（如與環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧基反應(yīng)），增強(qiáng)界面結(jié)合力。
• 物理錨定效應(yīng)：粗糙的表面和褶皺結(jié)構(gòu)增加與基體的機(jī)械互鎖，提升界面應(yīng)力傳遞效率。

3.?分散性與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成

• 均勻分散：氧化處理提高了GO的親水性或與有機(jī)基體的相容性，減少團(tuán)聚，使其均勻分散形成連續(xù)增強(qiáng)相。
• 滲透網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)：高長(zhǎng)徑比的GO片層在基體中形成三維網(wǎng)絡(luò)，限制分子鏈運(yùn)動(dòng)，提升剛性和抗蠕變性。

4.?增韌與裂紋抑制機(jī)制

• 裂紋偏轉(zhuǎn)與橋接：GO片層通過(guò)阻礙裂紋擴(kuò)展路徑（偏轉(zhuǎn)、分支）或橋接裂紋兩側(cè)，消耗斷裂能。
• 片層拔出機(jī)制：裂紋擴(kuò)展時(shí)GO片層從基體中被拔出，需克服界面摩擦力，進(jìn)一步耗散能量。

5.?對(duì)基體微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控

• 結(jié)晶度調(diào)控：在聚合物基體中，GO可作為異相成核劑，促進(jìn)結(jié)晶區(qū)形成（如聚乙烯中增加晶核密度），提升強(qiáng)度和模量。
• 交聯(lián)密度優(yōu)化：在熱固性樹(shù)脂中，GO表面官能團(tuán)可能參與交聯(lián)反應(yīng)，形成更致密的三維網(wǎng)絡(luò)。

6.?功能協(xié)同效應(yīng)

• 熱穩(wěn)定性提升：GO的高導(dǎo)熱性可促進(jìn)熱量擴(kuò)散，減少局部熱應(yīng)力集中，延緩基體熱降解。
• 阻隔性能增強(qiáng)：片層結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)氣體/溶劑滲透路徑，提高復(fù)合材料耐環(huán)境老化性能。

關(guān)鍵影響因素

• 氧化程度：需平衡官能團(tuán)含量（影響分散和界面）與結(jié)構(gòu)完整性（過(guò)高氧化引入缺陷）。
• 尺寸與層數(shù)：?jiǎn)螌踊蛏賹覩O具有更大比表面積和更優(yōu)性能。
• 取向分布：片層取向與載荷方向一致時(shí)增強(qiáng)效果更顯著。

總結(jié)

氧化石墨烯通過(guò)“納米增強(qiáng)效應(yīng)”與“多尺度界面協(xié)同”實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料性能提升，其機(jī)理涵蓋力學(xué)承載、界面優(yōu)化、結(jié)構(gòu)調(diào)控等多維度作用。實(shí)際應(yīng)用中需通過(guò)表面修飾、分散工藝等手段優(yōu)化GO與基體的匹配性，以最大化增強(qiáng)效率。

1?光學(xué)顯微分析

盡管光學(xué)顯微鏡通常作為一種研究宏觀材料的表征手段，無(wú)法給出石墨烯的具體晶格以及原子尺度的信息，但是在特殊情況下，光學(xué)顯微鏡對(duì)于石墨烯的層數(shù)初步判定以及形貌尺寸解析等卻能提供一種快速便捷的方法。事實(shí)上，石墨烯的最早發(fā)現(xiàn)與成像分辨就是通過(guò)光學(xué)顯微鏡實(shí)現(xiàn)的[圖1(a)]通常使用光學(xué)顯微鏡觀察石墨烯都是在具有一定厚度氧化層的硅片上進(jìn)行的。由于石墨烯的納米尺寸的厚度會(huì)導(dǎo)致透過(guò)石墨烯的光發(fā)生干涉效應(yīng)，因此不同層數(shù)的石墨烯在光學(xué)顯微鏡下具有不同的顏色，從而實(shí)現(xiàn)可視，這也是石墨在肉眼下具有不透明性的原因。然而，在使用光學(xué)顯微技術(shù)表征石墨烯時(shí)，二氧化硅層的厚度以及入射光的波長(zhǎng)對(duì)視野下石墨烯的對(duì)比度具有決定性作用。如果選擇的氧化層厚度以及入射光波長(zhǎng)不合適會(huì)導(dǎo)致石墨烯在光學(xué)顯微鏡下的不可見(jiàn)。使用不同的單色光源可以實(shí)現(xiàn)在各種襯底上觀察到石墨烯，常見(jiàn)的襯底有SiO₂、SiN₄、Al₂O₃等，甚至聚合物PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)都可以作為觀察石墨烯的基底。由于SiO₂是CMOS器件中廣泛使用的介電層因而在SO₂基底上觀測(cè)石墨烯是研究得最廣泛也是最多的。為了更方便有效地采用顯微鏡觀測(cè)石墨烯，一般選擇自然光白光作為光源，此時(shí)SiO₂層的厚度控制在300 nm或100 nm是最合適的，在此厚度下人眼對(duì)不同層數(shù)的石墨烯的光學(xué)分辨最敏感。采用光學(xué)顯微鏡對(duì)石墨烯的層數(shù)進(jìn)行表征已經(jīng)經(jīng)過(guò)了大量的研究，圖1(b)展示了不同層數(shù)的石墨烯在550 nm光源下的不同顏色，通過(guò)它們顏色的對(duì)比差異可以判斷出它們具有不同的層數(shù)。利用光學(xué)顯微鏡表征石墨烯的層數(shù)，主要是不同厚度的石墨烯在光學(xué)微鏡下具有不同的顏色，但是一般只能根據(jù)它們顏色的相對(duì)差別來(lái)定性地判斷石墨烯的相對(duì)層數(shù)，而無(wú)法直接給出石墨烯的層數(shù)。盡管如此，光學(xué)顯微鏡技術(shù)已經(jīng)成為一種非常成熟的石墨烯層數(shù)的標(biāo)定技術(shù)。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （a）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）

圖1(a)首次在光學(xué)顯微鏡下觀察到單層石墨烯；(b)不同厚度石墨烯樣品的光學(xué)圖片

除了在一定厚度的SiO₂上可以采用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)到石墨烯，在金屬基底上也可以通過(guò)光學(xué)顯微鏡檢測(cè)到石墨烯的存在。這種現(xiàn)象是在用化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的。在銅基底上生長(zhǎng)石墨烯后經(jīng)過(guò)在一定溫度下的氧化處理，由于未被石墨烯覆蓋的銅會(huì)被氧化成紅色的氧化亞銅，而有石墨烯覆蓋的區(qū)域則不會(huì)被氧化因而在光學(xué)顯微鏡下具有很明顯的顏色對(duì)比度。圖2(a)是直接采用光學(xué)顯微鏡觀察金屬基底上的四邊形石墨烯，可以看出，由于石墨烯的尺寸比較大，石墨烯的大小與形貌直接用肉眼就可以觀測(cè)到。隨著化學(xué)氣相沉積法的發(fā)展，越來(lái)越多的不同形貌不同尺寸的石墨烯被制備并采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行石墨烯區(qū)域表征[圖2(b)]。相比于在絕緣基底上使用光學(xué)顯微鏡表征石墨烯，在金屬銅上利用銅與氧化亞銅的顏色差異來(lái)表征石墨烯具有更高的對(duì)比度，可以更清晰地觀察到石墨烯的存在，但是該手段卻無(wú)法分辨出石墨烯的層數(shù)差異。

圖2(a)首次采用光學(xué)顯微鏡觀察金屬銅上的石墨烯：(b)利用光學(xué)顯微鏡表征具有不同形貌的單晶石墨烯

盡管在一般條件下，光學(xué)顯微鏡只能大范圍地表征石墨烯，但是經(jīng)過(guò)一定的特殊處理后，使用光學(xué)顯微鏡還可以表征石墨烯更微觀的信息，如石墨烯的晶界。采用這種方法不需要進(jìn)行石墨烯的轉(zhuǎn)移，從而避免了轉(zhuǎn)移過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，如石墨烯破損、褶皺、污染等，因此對(duì)于觀察石墨烯晶界具有更直觀的優(yōu)勢(shì)。這種方法是在潮濕的環(huán)境下首先將石墨烯紫外曝光處理，利用石墨烯晶界下的基底銅具有選擇性氧化作用而實(shí)現(xiàn)石墨烯在光學(xué)顯微鏡下的可見(jiàn)，圖3為這種方法的示意圖以及實(shí)現(xiàn)的光學(xué)可見(jiàn)性。在潮濕的氣氛下，O₂、H₂O等在紫外處理下會(huì)產(chǎn)生自由基，這些自由基會(huì)選擇性地通過(guò)石墨烯的晶界氧化下層的基底銅，當(dāng)氧化區(qū)域增大到一定程度時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)在光學(xué)顯微鏡下觀察了。由圖3中(b)(c)氧化前與氧化后的對(duì)比圖可以很清楚地看到石墨烯晶界由不可見(jiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)。而且經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)石墨烯的晶界與基底銅的晶界不具有相關(guān)性，如圖3(d)所示，石墨烯晶界與基底銅晶界相交，其中白色的線代表了石墨烯晶界。

圖3直接使用光學(xué)顯微鏡觀察石墨烯的晶界

(a)紫外處理銅上石墨烯樣品的示意圖；(b)(c)石墨烯/銅樣品在紫外處理前后的對(duì)比圖；(d)氧化后石墨烯/銅的SEM圖；(e)圖(c)中紅色框內(nèi)石墨烯的AFM側(cè)向力圖

2?電子顯微分析

電子顯微分析是研究材料精細(xì)結(jié)構(gòu)的有效手段，在表征納米材料、指導(dǎo)納米材料合成應(yīng)用上發(fā)揮著重要的作用。常用于表征石墨烯的電子顯微分析技術(shù)主要包括掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和透射電子顯微鏡（transmission electron microscope， TEM）。

2.1?掃描電子顯微鏡分析(SEM)

掃描電子顯微鏡利用電子束掃描樣品表面激發(fā)出二次電子，收集二次電子進(jìn)行成像即可得到樣品表面形貌的三維信息。它具有高倍率、大景深、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，在石墨烯研究特別是CVD石墨烯研究中被廣泛用來(lái)表征石墨烯的晶粒大小、晶粒取向、晶粒形貌等信息。由于掃描電子顯微鏡需要基底導(dǎo)電，所以采用金屬催化的CVD生長(zhǎng)的石墨烯特別適合用掃描電子顯微鏡觀察。由于石墨烯發(fā)射二次電子的能力比較弱，在掃描電子顯微鏡的視野中一般會(huì)呈現(xiàn)為深色，圖 4 所示為在基底銅上生長(zhǎng)的六邊形石墨烯的掃描電鏡圖。使用掃描電子顯微鏡來(lái)觀察石墨烯具有很高的對(duì)比度，甚至層數(shù)不同也會(huì)造成差別，因而也可用于定性的區(qū)別石墨烯的層數(shù)。

圖4 金屬銅箔上生長(zhǎng)的六邊形單晶石墨烯的掃描電子顯微鏡圖片

除了用于表征石墨烯的形貌、尺寸、取向等信息，掃描電子顯微鏡還可以用來(lái)研究CVD石墨烯的生長(zhǎng)過(guò)程。通過(guò)改變生長(zhǎng)過(guò)程中的參數(shù)調(diào)控石墨烯的生長(zhǎng)，進(jìn)行掃描電鏡觀察得到一系列與參數(shù)相關(guān)的生長(zhǎng)結(jié)果，從而可以研究溫度、時(shí)間、流量等對(duì)石墨烯生長(zhǎng)的影響。而且它還可以提供一些對(duì)于CVD生長(zhǎng)石墨烯具有指導(dǎo)意義的參數(shù)，如成核密度、生長(zhǎng)速率等。

由于SEM表征環(huán)境與石墨烯生長(zhǎng)環(huán)境類似，通過(guò)一定的處理步驟對(duì)掃描電鏡進(jìn)行改良可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CVD石墨烯生長(zhǎng)的原位觀察，這對(duì)于闡明石墨烯生長(zhǎng)機(jī)理以及論述不同參數(shù)對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程的影響具有重要的意義，可以從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯生長(zhǎng)過(guò)程中原子尺度變化過(guò)程的可視。最近 Willinger組利用掃描電鏡原位觀察了低壓化學(xué)氣相沉積( LPCVD)石墨烯的過(guò)程，包括從基底退火到石墨烯成核生長(zhǎng)最后到基底的降溫過(guò)程(圖5)。在SEM腔內(nèi)他們直接觀察到了基底銅的動(dòng)力學(xué)變化過(guò)程，證明了高溫CVD生長(zhǎng)實(shí)際是發(fā)生在部分熔化、高度流動(dòng)的銅表面的。實(shí)時(shí)觀察石墨烯成核與生長(zhǎng)為進(jìn)一步闡明石墨烯生長(zhǎng)機(jī)理提供了直接的證據(jù)。

一般的掃描電子顯微鏡還會(huì)配備一些額外的檢測(cè)器，如進(jìn)行元素分析的能量色散X射線分析儀(EDX)、分析基底晶向的電子背散射衍射(EBSD)檢測(cè)器。圖 6 所示為采用EDX分析儀得到的生長(zhǎng)了石墨烯后的元素面掃描圖。經(jīng)過(guò)高溫生長(zhǎng)后，沉積在絕緣基底上的銅發(fā)生了潤(rùn)濕作用，會(huì)在基底上留下圖 6 中所示的樹(shù)枝狀的銅相，通過(guò)EDX對(duì)C、Si、Cu元素的掃描成像可以得到石墨烯與基底的三維分布情況。

?圖5 1000℃下SEM原位 LPCVD觀察制備石墨烯片的成核與生長(zhǎng)過(guò)程

白色箭頭代表石墨烯在銅晶界處的成核，綠色虛線標(biāo)出基底銅的晶界，隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，石墨烯成核數(shù)量增多，石墨烯尺度增大。

圖6 使用EDX分析儀表征制備的石墨烯

(a)生長(zhǎng)2h后石英上銅(白色)的SEM圖；(b)-(d)樣品表面銅、氧、硅的EDX元素面掃描圖

2.2?透射電子顯微鏡分析(TEM)

透射電子顯微鏡是利用高能量的電子束穿過(guò)薄膜樣品經(jīng)過(guò)聚焦與放大后所得到的圖像，透射電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡的成像原理基本一樣，所不同的是前者用電子束作光源，用電磁場(chǎng)作透鏡，因而具有更高的分辨率。另外，由于電子束的穿透力很弱，因此用于電鏡的樣品需達(dá)到納米尺度的厚度。透射電子顯微鏡由于其所具有的超高分辨率特征而常用來(lái)觀察石墨烯結(jié)構(gòu)的微觀原子像、層數(shù)、格缺陷等信息。

由于在制備TEM樣品或進(jìn)行TEM表征時(shí)石墨烯邊緣會(huì)發(fā)生卷曲，因而觀察石墨烯的層片邊緣可以得到石墨烯的層數(shù)信息。圖 7 所示為表征的不同層數(shù)的石墨烯，在TEM下可以很清晰地看出石墨烯的層數(shù)，這點(diǎn)與此前表征碳納米管的情況類似。

除了表征石墨烯的層數(shù)，TEM還可以用于石墨烯的原子級(jí)別成像，特別是近些年逐步發(fā)展的球差校正透射電子顯微鏡，可以觀察到亞埃級(jí)尺度的圖像。圖 8 所示為采用球差校正透射電子顯微鏡觀察的石墨烯晶格結(jié)構(gòu)，可以看到在圖 8(b) 中石墨烯的六邊形晶格結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)。當(dāng)兩個(gè)沿著不同取向的石墨烯單晶連接時(shí)會(huì)形成石墨烯品界，而通過(guò)高分辨率的TEM可以得到石墨烯界的原子構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)它由五元環(huán)和七元環(huán)以及雜亂的六元環(huán)連接而成，甚至石墨烯單晶間的轉(zhuǎn)角等信息也可以順利得到。

一般的TEM還會(huì)配備其他的分析工具，如能量色散X射線分析( energy dispersive X-ray- analysis，EDX)和選區(qū)電子行射(selected area electrondiffraction SAED)，可以用來(lái)進(jìn)行元素分析以及石墨烯的晶體學(xué)表征，其中EDX可以得到類似于SEM中的元素面掃描圖，SAED可以鑒定石墨烯的單晶屬性以及層數(shù)。

圖 7(a)-(c) 一層、兩層、三層石墨烯的TEM圖

圖 8 原子分辨率的球差校正TEM圖

(a)轉(zhuǎn)移到TEM微柵上的石墨烯的SEM圖；(b)完美無(wú)缺陷石墨烯的TEM圖；(c)兩個(gè)石墨烯晶粒相交處形成的石墨烯的晶界在TEM下成像；(d)晶界處的五元環(huán)與七元環(huán)以及計(jì)算的單晶相對(duì)轉(zhuǎn)角；(e)暗場(chǎng)選區(qū)電子射圖(不同顏色的圈標(biāo)出了不同的晶格取向)；)實(shí)空間內(nèi)不同晶粒取向分布圖

3?掃描探針顯微分析

掃描探針顯微鏡的基本原理是基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。主要包括原子力顯微鏡(AFM)和掃描隧道顯微鏡(STM)。AFM主要利用施加載荷后樣品表面與納米尺度針尖的相互作用力而成像，是一種無(wú)損檢測(cè)方法，常用來(lái)表征石墨烯的形貌、尺寸、層數(shù)等信息。STM主要利用在外加電壓下樣品中產(chǎn)生的隧道電流成像，常用來(lái)表征石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)、層數(shù)、堆疊情況等。

3.1?原子力顯微鏡分析(AFM)

AFM通過(guò)分析側(cè)向力可以得到樣品的高度圖，因而是表征石墨烯層數(shù)的重要工具。理論上單原子層的石墨烯的厚度是0.335 nm，但是由于表面吸附物或者

石墨烯與針尖存在的相互作用導(dǎo)致測(cè)得的石墨烯厚度會(huì)大于0.335 nm，一般低于1nm可以認(rèn)為是單層的石墨烯。由于表征需要針尖在樣品表面移動(dòng)，所以表征效率比較低，測(cè)得的樣片范圍比較小。圖 9(a) 所示為典型的石墨烯的AFM圖，由于石墨烯發(fā)生折疊導(dǎo)致部分區(qū)域?yàn)殡p層，通過(guò)AFM表征可以清晰地分辨出石墨烯的層數(shù)信息(。通過(guò)三維成像還可以得到樣品的三維結(jié)構(gòu)圖，使用AFM表征可以發(fā)現(xiàn)，獨(dú)立存在的石墨烯為了自身穩(wěn)定，表面一般是存在一定起伏的，這也證明了有限尺度的二維石墨烯晶體在一定條件下是可以穩(wěn)定存在的。使用的針尖不同以及測(cè)試的參數(shù)不同可以得到不同的像，如摩擦力顯微鏡、磁力顯微鏡靜電力顯微鏡等。Salmeron組利用摩擦力顯微鏡測(cè)試機(jī)械剝離得到的石墨烯發(fā)現(xiàn)，盡管在高度圖中是均一的單層石墨烯，如圖 9(b)(c) 所示，但是在單層石墨烯中不同區(qū)域具有摩擦力各向異性，如圖 9(d) 所示，這是由于剝離與轉(zhuǎn)移過(guò)程中會(huì)帶來(lái)石墨烯各向異性的褶皺、缺陷等。

圖 9 石墨烯的AFM表征

(a)AFM高度圖表征石墨烯層數(shù)；(b)機(jī)械剝離石墨烯的AFM高度圖；(c)圖(b)紅色方框內(nèi)石墨烯的選區(qū)AFM高度圖；(d)圖(b)紅色方框內(nèi)石墨烯的選區(qū)AFM摩擦力圖

利用AFM還可以研究二維異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)以及它們之間的取向關(guān)系，圖 10 所示為 Jiang組采用化學(xué)氣相沉積在h-BN上沉積的石墨烯，由于石墨烯晶格與硼氮晶格存在一定的取向與作用力，因而在AF針尖下可以觀察到莫爾紋。從圖中的多晶石墨烯的AFM表征可以看到，只有當(dāng)石墨烯晶疇與基底BN具有一定的取向時(shí)才會(huì)出現(xiàn)莫爾條紋，這是因?yàn)榫哂幸欢ㄈ∠虻氖┡cBN間存在一定的范德華相互作用力。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室張廣宇研究員等發(fā)展了一種氣相外延技術(shù)，國(guó)際上首次在六方氮化硼基底上外延了大面積單晶石墨烯，使石墨烯和氮化硼之間的晶格相對(duì)轉(zhuǎn)角為零，進(jìn)一步利用高分辨的AFM對(duì)該層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，檢測(cè)到了石墨烯和六方氮化硼所形成的莫爾斑紋。在輸運(yùn)測(cè)量中他們觀察到超晶格子帶以及磁場(chǎng)下形成的超晶格朗道能級(jí)。

圖10? h-BN上多晶單層石墨烯的摩擦力圖

(a)BN上生長(zhǎng)的典型的多晶石墨烯(其中可以看出規(guī)律的莫爾條紋)；(b)圖(a)中黑色方框內(nèi)對(duì)應(yīng)的AFM大圖；(c)-(e)分別對(duì)應(yīng)于圖(b)中藍(lán)色、綠色、粉色數(shù)字區(qū)域的原子分辨的AFM圖；(f)圖(a)中橙色區(qū)域的原子分辨的AFM圖(即基底BN的原子晶格結(jié)構(gòu))

3.2?掃描隧道顯微鏡分析(STM)

STM可以提供石墨烯表面原子級(jí)分辨的結(jié)構(gòu)信息，事實(shí)上，由于石墨表面的原子尺度的平整度，早期STM的研究大部分都是以石墨作為基底的。由于STM需要樣品表面干凈平整，而且掃描區(qū)域小無(wú)法精確定位，因而表征效率比較低。但是通過(guò)STM表征可以完美呈現(xiàn)石墨烯的六角蜂窩晶格結(jié)構(gòu)。

STM測(cè)試一般要求基底導(dǎo)電，因而采用金屬催化CVD法或碳化硅外延生長(zhǎng)的石墨烯是用于STM表征的最佳樣品。圖11(a)、(b)所示為典型的銅上生長(zhǎng)單層單晶石墨烯的STM圖，由原子分辨率的STM拓?fù)鋱D中可以清晰看到石墨烯的六角蜂窩晶格結(jié)構(gòu)，圖11(b)中展示了石墨烯的六角蜂窩晶格結(jié)構(gòu)，通過(guò)STM表征可以直觀地看到石墨烯的單個(gè)原子結(jié)構(gòu)。

由于STM的微觀成像以及原子尺度分辨率，它還可以用來(lái)確定石墨烯的邊界類型與原子排列，這些信息對(duì)于研究特殊結(jié)構(gòu)石墨烯如石墨烯納米帶的性質(zhì)具重要作用。Mullen組采用自下而上法合成了石墨烯納米帶，并用STM表征了其寬度和邊界原子級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)。圖11中(c)、(d)為在u上由小分子前驅(qū)體制備的具有一定取向排列的石墨烯納米帶，其寬度和邊緣結(jié)構(gòu)也可以通過(guò)STM測(cè)試實(shí)現(xiàn)精確表征。

STM除了可以研究石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)、取向、邊界類型以及層數(shù)外，還可以研究材料的雜原子吸附、摻雜、插層等。最近，Gao組利用TM證明了Ru上生長(zhǎng)的石墨烯的硅插層機(jī)理，如圖12示，在原子分辨的STM圖中可以看出石墨烯下面插層的Si原子。通過(guò)STM研究，驗(yàn)證了其機(jī)理是石墨烯表面形成缺陷、Si原子在缺陷處插層、Si原子在層間移動(dòng)、石墨烯晶格修復(fù)等過(guò)程。

圖11銅上單晶石墨烯的STM表征

(a)石墨烯晶粒邊緣的STM拓?fù)鋱D；(b)原子尺度分辨的石墨烯的STM圖[對(duì)應(yīng)于圖(a)中綠色框內(nèi)石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)與取向；(c)合成的大面積的氮摻雜的石墨烯納米帶；(d)小范圍的SM圖(其中部分由其結(jié)構(gòu)模型展示了由于N-H相互作用導(dǎo)致的排列取向性)

圖12 單層石墨烯/硅/釕層的STM形貌圖

(a)插層硅后的三維STM形貌圖；(b)圖(a)中虛線所代表的高度分布圖；(c)圖(a)中黑色方框?qū)?yīng)的硅插層后石墨烯的晶格圖

4?拉曼光譜分析

拉曼光譜( Raman spectra)是一種基于單色光的非彈性散射光譜，對(duì)與入射光頻率不同的散射光進(jìn)行分析可以得到分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等方面的信息，可以用來(lái)分析分子或材料的結(jié)構(gòu)。對(duì)于石墨烯來(lái)說(shuō)，拉曼光譜是一種用于檢測(cè)分析石墨烯層數(shù)、缺陷程度、摻雜情況等方面信息的很方便快捷的方法。使用不同波長(zhǎng)的光源所得到的石墨烯的拉曼光譜會(huì)存在峰位置、強(qiáng)度等方面的差異。圖13(a)所示為514 nm波長(zhǎng)激發(fā)光源時(shí)石墨和石墨烯的典型拉曼光譜。對(duì)于完美的石墨烯結(jié)構(gòu)，其主要的拉曼特征峰為位于1580 cm^-1處左右的G峰和位于2700 cm^-1處左右的2D峰。其中G峰是碳sp²結(jié)構(gòu)的特征峰，來(lái)源于sp²原子對(duì)的伸縮振動(dòng)，可以反映其對(duì)稱性和結(jié)晶程度；2D峰源于兩個(gè)雙聲子的非彈性散射。而對(duì)于不完美的石墨烯則還會(huì)在1350 cm^-1附近出現(xiàn)一個(gè)D峰，它對(duì)應(yīng)于環(huán)中sp²原子的呼吸振動(dòng)，D峰對(duì)應(yīng)的振動(dòng)一般是禁阻的，但晶格中的無(wú)序性會(huì)破壞其對(duì)稱性而使得該振動(dòng)被允許，因而D峰也被稱為石墨烯的缺陷峰。

隨著石墨烯層數(shù)的變化，G峰和2D峰的位置、寬度、峰強(qiáng)度等會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，因而可以用來(lái)反映石墨烯的層數(shù)。一般對(duì)于單層的石墨烯，2D峰為單峰，且峰形比較窄，強(qiáng)度約是G峰的四倍。層數(shù)的增多會(huì)導(dǎo)致2D峰的峰形變寬，強(qiáng)度變小，對(duì)于雙層的石墨烯2D峰可以進(jìn)一步分為四個(gè)峰。層數(shù)增加到一定程度石墨烯就演變?yōu)轶w相的石墨。其2D峰的位置較石墨烯存在很大的差別，相比于石墨烯向右偏移，同時(shí)會(huì)存在峰的疊加現(xiàn)象。

圖13 石墨烯的拉曼表征

(a)石墨與石墨烯的拉曼光譜；(b)石墨烯晶粒與石墨烯的拉曼成像圖

除了特定點(diǎn)區(qū)域的拉曼光譜外，還可以利用拉曼面掃描的功能對(duì)石墨烯材料進(jìn)行大面積的分析，通過(guò)入射光在指定區(qū)域內(nèi)逐點(diǎn)取樣可以得到樣品的拉曼成像圖，這對(duì)于分析石墨烯的均勻程度、缺陷分布等具有重要的指導(dǎo)意義。Chen組利用拉曼面掃描功能對(duì)石墨烯晶粒與石墨烯晶界進(jìn)行了表征，如圖13(b)所示，分別為石墨烯單晶的D峰、G峰、2D峰強(qiáng)度拉曼成像圖以及石墨烯晶粒連接處的D峰、G峰、2D峰強(qiáng)度拉曼成像圖，由此可以看出單個(gè)六角石墨烯晶粒的均勻性以及石墨烯晶粒連接處存在的高密度的缺陷。

本文來(lái)自烯碳資訊，本文觀點(diǎn)不代表利特納米立場(chǎng)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。

炭材料是主要以煤、石油或它們的加工產(chǎn)物等有機(jī)物質(zhì)作為主要原料經(jīng)過(guò)一系列加工處理過(guò)程得到的一種非金屬材料，其主要成分是碳。金剛石、石墨、咔賓、石墨烯、碳納米管、炭 / 炭復(fù)合材料都屬于炭材料。

二、炭的起源 —“big bang” 理論

三、炭材料的發(fā)展史

四、炭材料的應(yīng)用

1、機(jī)械工業(yè)：軸承、密封元件、制動(dòng)元件等 ;

2、電子工業(yè)：電極、電波屏蔽、電子元件等 ;

3、電器工業(yè)：電刷，集電體、觸點(diǎn)等 ;

4、航空航天：結(jié)構(gòu)材料，絕熱、耐燒蝕材料等 ;

5、核能工業(yè)：反射材料，屏蔽材料等 ;

6、冶金工業(yè)：電極，發(fā)熱元件，坩鍋、模具等 ;

7、化學(xué)工業(yè)：化工設(shè)備，過(guò)濾器等 ;

8、體育器材：球桿，球拍，自行車(chē)等 ;

五、第一代炭材料 ( 5 千 -1 萬(wàn)年前 ) ——木炭

木炭 ( charcoal ) 是木材或木質(zhì)原料經(jīng)過(guò)不完全燃燒，或者在隔絕空氣的條件下熱解，所殘留的深褐色或黑色多孔固體燃料。利用炭的化學(xué)性質(zhì)，作燃料和還原劑煉銅和煉鐵。

CuO+ C → Cu + CO2

Fe2O3+ C → Fe + CO2

應(yīng)用領(lǐng)域：燃料、煉鋼、煉鐵。

未來(lái)趨勢(shì)：近幾年我國(guó)木炭行業(yè)發(fā)展速度較快，木炭行業(yè)在國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)上發(fā)展形勢(shì)都十分看好。

六、第二代炭材料 ( 十九世紀(jì) )

1、燒結(jié)型炭材料 ( 人造石墨 )

利用炭的物理性質(zhì) ( 導(dǎo)電、耐熱、耐腐蝕、耐摩擦等 ) ，用于炭磚、煉鋼、煉鋁等 ( 電極、電刷、各種機(jī)械、化工用炭、原子反應(yīng)堆用炭等 ) 。

主要產(chǎn)品：電極、電刷、各種機(jī)械、化工用炭、原子反應(yīng)堆用炭。

應(yīng)用領(lǐng)域：炭磚、煉鋼、煉鋁等。

2、炭黑

炭黑 ( carbon black，又名碳黑 ) ，是一種無(wú)定形碳。輕、松而極細(xì)的黑色粉末，表面積非常大，范圍從 10-3000m2/g，是含碳物質(zhì) ( 煤、天然氣、重油、燃料油等 ) 在空氣不足的條件下經(jīng)不完全燃燒或受熱分解而得的產(chǎn)物。

應(yīng)用領(lǐng)域：墨的原料、橡膠工業(yè)的輪胎、塑料、化妝品等。

七、第三代炭材料 ( 第二次世界大戰(zhàn)后 )

1、金剛石

金剛石俗稱 ” 金剛鉆 “，也就是我們常說(shuō)的鉆石的原身，它是一種由碳元素組成的礦物，是碳元素的同素異形體。金剛石是自然界中天然存在的最堅(jiān)硬的物質(zhì)。

性能：高熱傳導(dǎo)率，低熱膨脹系數(shù)，低摩擦系數(shù)，高硬度，在可見(jiàn)光和紅外光下高透明性，高折射系數(shù)，化學(xué)和放射性惰性。

應(yīng)用領(lǐng)域：珠寶首飾、切割工具、研磨料、不利環(huán)境中的熱探頭、放射性檢出儀、壓力敏感器、熒光顯增器、光學(xué)窗、微型機(jī)械元件，以及高密度、高能量電子元件等。

2、線型碳 ( 卡賓 )

線型碳是元素碳的一種新的同素異形體，以 sp 雜化成鍵為特征，呈線型結(jié)構(gòu)。研究表明，線型碳在高溫低密度的液體碳中存在。1968 年，在前西德的 Ries 火山口的石墨片麻巖中發(fā)現(xiàn)微量的線型碳。后來(lái)，又在隕石和宇宙粉塵中發(fā)現(xiàn)這種線型碳分子。前蘇聯(lián)學(xué)者將之命名為 “Carbyne”。最初國(guó)內(nèi)介紹這種物質(zhì)時(shí)譯名為 ” 卡賓 “。

性能：高熱力學(xué)穩(wěn)定性、生物體的高親和性等。

應(yīng)用領(lǐng)域：常溫超導(dǎo)材料、外科手術(shù)的縫合線及動(dòng)物硬組織材料、隱型眼鏡外框、合成金剛石。

3、碳纖維

碳纖維 ( carbon fiber，簡(jiǎn)稱 CF ) ，是一種含碳量在 95% 以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料，是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

性能：與鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維具有強(qiáng)度大、模量高、密度低、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)。

應(yīng)用領(lǐng)域：航天、航空、 汽車(chē)、 電子、 機(jī)械、化工、輕紡、運(yùn)動(dòng)器材和休閑用品。

4、活性炭纖維

活性炭纖維 ( ACF ) ，亦稱纖維狀活性炭，是性能優(yōu)于活性炭的高效活性吸附材料和環(huán)保工程材料。其超過(guò) 50% 的碳原子位于內(nèi)外表面，構(gòu)筑成獨(dú)特的吸附結(jié)構(gòu)，被稱為表面性固體。它是由纖維狀前驅(qū)體，經(jīng)一定的程序炭化活化而成。

性能：比表面積大、吸附性能好。

應(yīng)用領(lǐng)域：環(huán)保、儲(chǔ)能材料、隱身材料、核防護(hù)材料、催化劑載體、生理除味保健、防毒防化、血液凈化、人工肝臟和腎臟、水果儲(chǔ)存保鮮、除臭除濕、高能電極及雙層電容。

5、玻璃炭

玻璃炭 ( Glassy Carbon ) 又稱聚合炭 ( Polymeric Carbon ) ，它是由高純度的交聯(lián)結(jié)構(gòu)的酚醛樹(shù)脂 ( 或呋喃樹(shù)脂 ) ，經(jīng)特殊高溫?zé)峤庵频谩?/p>

性能：耐 3000 ℃的高溫，低密度，高透氣性，高耐酸堿性以及優(yōu)良的生物相容性。

應(yīng)用領(lǐng)域：實(shí)驗(yàn)室分析器皿、化學(xué)分析電極、溫度計(jì)的保護(hù)管、電池電極隔板、半導(dǎo)體器件。

6、金剛石薄膜

金剛石薄膜又稱 DLC 薄膜，它是一類性質(zhì)近似于金剛石，具有高硬度、高電阻率、良好的光學(xué)性能，同時(shí)又具有自身獨(dú)特摩擦學(xué)性能的非晶碳薄膜。

性能：透光、發(fā)光性，硬度高、耐磨、高膜量，光交換性。

應(yīng)用領(lǐng)域：高溫晶體管、激光器件、絕緣材料等。

7、石墨層間化合物 ( 可膨脹石墨 )

石墨層間化合物 ( GIC ) 是通式為 XCy 的化合物，它是使具有極性的插入劑 ( 酸、堿、鹵素 ) 分子或離子插入石墨層與碳網(wǎng)平面形成石墨層間化合物 ( GICs ) , 也可稱為可膨脹石墨。

性能：輕、高導(dǎo)電性、電化學(xué)性，反應(yīng)性等。

應(yīng)用領(lǐng)域：高導(dǎo)電材料、電池活性物質(zhì)、催化劑等。

8、氣相生長(zhǎng)炭纖維

氣相生長(zhǎng)碳纖維，是一種采用化學(xué)催化氣相沉積技術(shù)，在高溫下 ( 873K～1473K ) ，以過(guò)渡族金屬 ( Fe、Co、Ni ) 或其化合物為催化劑，將低碳烴化合物 ( 如甲烷、乙炔、苯等 ) 裂解而生成的微米級(jí)碳纖維。

性能：極細(xì)、比表面積大、中空、結(jié)晶性好。

應(yīng)用領(lǐng)域：增強(qiáng)材料、催化材料、導(dǎo)電材料等。

9、中間相瀝青基炭纖維

瀝青基炭纖維是以燃料系或合成系瀝青原料為前驅(qū)體，經(jīng)調(diào)制、成纖、燒成處理而制成的纖維狀炭材料。

性能：原料便宜、碳收率高、易制得超高模型炭纖維。

應(yīng)用領(lǐng)域：航天、航空及高級(jí)運(yùn)動(dòng)器材 ; 民用工業(yè)領(lǐng)域的隔熱材料、磨耗制動(dòng)材料、耐腐蝕材料、導(dǎo)電和屏蔽材料、音響材料 ; 建筑材料的水泥增強(qiáng)材料。

10、碳化硅晶體

早在 1824 年，瑞典科學(xué)家 Berzelius ( 1779 一 1848 ) 在人工合成金剛石的過(guò)程中就觀察到了 SiC 的存在，但是因?yàn)樘烊坏?SIC 單晶極少，當(dāng)時(shí)人們對(duì) SIC 的性質(zhì)幾乎沒(méi)有什么了解。直到 1885 年，Acheson 首次生長(zhǎng)出 SiC 晶體之后，人們才開(kāi)始對(duì) SIC 的特性、材料制備方法及應(yīng)用前景等多方面開(kāi)始了深入研究。

性能：化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好。

應(yīng)用領(lǐng)域：磨料、高級(jí)耐火材料、脫氧劑、電熱元件硅碳棒、半導(dǎo)體、用于水輪機(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁的碳化硅粉末涂布。

11、炭/炭復(fù)合材料

碳/碳復(fù)合材料（c-c composite or carbon-carbon composite material）是碳纖維及其織物增強(qiáng)的碳基體復(fù)合材料。

性能：低密度(<2.0g/cm3)、高強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高

應(yīng)用領(lǐng)域：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管及其喉襯、航天飛機(jī)的端頭帽和機(jī)翼前緣的熱防護(hù)系統(tǒng)、飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)等

八、第四代炭材料——新型炭材料

1、富勒烯

富勒烯（Fullerene)是一種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì)，都可以被叫做富勒烯。富勒烯與石墨結(jié)構(gòu)類似，但石墨的結(jié)構(gòu)中只有六元環(huán)，而富勒烯中可能存在五元環(huán)。

性能：具有線性和非線性光學(xué)特性，堿金屬富勒烯超導(dǎo)性等

應(yīng)用領(lǐng)域：非線性光學(xué)器件、光導(dǎo)體、超導(dǎo)材料、護(hù)膚品、有機(jī)太陽(yáng)能電池、催化劑、抗癌藥物、CVD金剛石膜、高強(qiáng)度碳纖維、高能轟擊粒子

2、碳納米管

碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2-20 nm。

性能：高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、高彈性模量、高抗拉強(qiáng)度等

應(yīng)用領(lǐng)域：納米復(fù)合材料、新能源，傳感器，超級(jí)電容器，場(chǎng)發(fā)射管

3、石墨烯

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。

性能：非同尋常的導(dǎo)電性能、極低的電阻率極低和極快的電子遷移的速度、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性

應(yīng)用領(lǐng)域：光電顯示、半導(dǎo)體、觸摸屏、電子器件、儲(chǔ)能電池、顯示器、傳感器、航天、軍工、復(fù)合材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域

4、碳納米洋蔥

碳納米洋蔥是指尺寸為納米級(jí)，即十億分之一米的金剛石，是近年來(lái)用爆炸技術(shù)合成的新材料，它不但具有金剛石的固有特性，而且具有小尺寸效應(yīng)、大比表面積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等，因而展現(xiàn)出納米材料的特性

性能：高硬度

應(yīng)用領(lǐng)域：納米金剛石與金屬?gòu)?fù)合鍍層、納米金剛石拋光液、納米金剛石-聚合物復(fù)合體、潤(rùn)滑油、燒結(jié)體、磁性記錄系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)

5、碳包覆納米金屬顆粒

碳包覆納米金屬顆粒（CEMNP）又稱碳包覆納米金屬晶，是一種新型的碳/金屬納米復(fù)合材料，其中數(shù)層石墨片層緊密?chē)@納米金屬顆粒有序排列，形成類洋蔥結(jié)構(gòu)，納米金屬粒子則處于洋蔥的核心。

性能：可避免環(huán)境對(duì)納米金屬材料的影響；可提高某些金屬與生物體之間的相容性

應(yīng)用領(lǐng)域：磁記錄材料、鋰離子二次電池負(fù)極材料、電波屏蔽材料、氧化還原催化劑、核廢料處理材料、精細(xì)陶瓷材料和抗菌材料

6、碳?xì)饽z

2013年，浙江大學(xué)的科學(xué)家們研制出了一種超輕材料，這種被稱為“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度僅每立方厘米0.16毫克，是空氣密度的六分之一，也是迄今為止世界上最輕的材料。

性能：高彈性、強(qiáng)吸附

應(yīng)用領(lǐng)域：海水淡化、相變儲(chǔ)能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復(fù)合材料

本文來(lái)自石墨邦，本文觀點(diǎn)不代表利特納米立場(chǎng)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。

相比之下，碳點(diǎn)材料的原料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，保持了碳材料毒性小的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有光穩(wěn)定性好、無(wú)光閃爍、雙光子吸收面積大、能帶結(jié)構(gòu)可調(diào)等優(yōu)勢(shì)。

西安交通大學(xué)化工學(xué)院胡超課題組與北京化工大學(xué)邱介山教授合作，利用碳點(diǎn)這些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)尺寸與結(jié)晶度調(diào)節(jié)、表面修飾和異原子摻雜的結(jié)構(gòu)調(diào)控策略來(lái)設(shè)計(jì)和制備碳點(diǎn)材料，論述了其在發(fā)光二極管、光催化、光電催化、太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的應(yīng)用。

此外，利用碳點(diǎn)豐富的表面缺陷位和靈活的結(jié)構(gòu)可調(diào)變性，也評(píng)述了碳點(diǎn)在電催化、二次電池和超級(jí)電容器方面的應(yīng)用，為今后碳點(diǎn)材料在能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的研究工作提供指導(dǎo)。該研究成果近日以《面向能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化的碳點(diǎn)材料設(shè)計(jì)及制備》為題，在《化學(xué)學(xué)會(huì)評(píng)論》雜志在線發(fā)表，并被作為封底文章亮點(diǎn)推薦。

以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助。

論文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/CS/C8CS00750K#!divAbstract

本文來(lái)自石墨烯資訊，本文觀點(diǎn)不代表利特納米立場(chǎng)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。

氟化碳是目前世界上理論能量密度最高的原電池固態(tài)正極材料。封偉告訴記者，西方發(fā)達(dá)國(guó)家一直將高能量氟化碳制備視為核心技術(shù)，嚴(yán)禁技術(shù)輸出和公開(kāi)交流。“目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的氟化碳材料主要依賴國(guó)外進(jìn)口，嚴(yán)重制約了我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！?/p>

不過(guò)，受自身結(jié)構(gòu)限制，當(dāng)前國(guó)際主流的氟化碳材料也有痛點(diǎn)——它難以實(shí)現(xiàn)“能量密度高”和“功率密度高”的兼顧。2008年，封偉團(tuán)隊(duì)率先提出開(kāi)發(fā)具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的新型氟化碳材料，以實(shí)現(xiàn)能量密度和功率密度的“雙高”。歷經(jīng)十余年攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)顛覆了現(xiàn)有的基于石墨烯六元環(huán)結(jié)構(gòu)的共價(jià)型氟碳結(jié)構(gòu)，在國(guó)際上率先研制出兼具高電壓和高容量的結(jié)構(gòu)型氟化碳材料。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)，這一新材料能量密度達(dá)到2738Wh/kg，比國(guó)外同類產(chǎn)品高30％，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。同時(shí)，它能在超大放電電流條件下穩(wěn)定工作。據(jù)測(cè)算，其成本相比進(jìn)口材料能大幅度降低?！斑@標(biāo)志著我們突破了發(fā)達(dá)國(guó)家長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的技術(shù)封鎖?！狈鈧フf(shuō)。

目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了新型氟化碳材料的穩(wěn)定小批量生產(chǎn)。（記者張蓋倫 通訊員焦德芳）

近日消息，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)原子級(jí)薄的石墨烯類材料相互疊加時(shí)，它們的性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，并且出現(xiàn)具有新型混合特性的材料，為新材料和納米器件的設(shè)計(jì)鋪平了道路。

這種情況發(fā)生時(shí)，沒(méi)有物理混合兩個(gè)原子層，也沒(méi)有通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，而是通過(guò)弱的所謂的范德華相互作用將層彼此連接- 類似于膠帶如何附著到平坦表面上。

在《Nature》發(fā)表的突破性研究中，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)扭轉(zhuǎn)兩個(gè)堆疊的原子層可以精確控制新混合材料的性質(zhì)，為未來(lái)在納米級(jí)的復(fù)合材料和器件中實(shí)現(xiàn)自由度的控制開(kāi)辟了道路。

堆疊不同種類的層狀材料以制造所謂的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的想法可以追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)研究半導(dǎo)體砷化鎵用于制造微型激光器 – 現(xiàn)在以及被人們廣泛使用。

今天，異質(zhì)結(jié)構(gòu)是非常常見(jiàn)的，并且在半導(dǎo)體工業(yè)中被廣泛用作設(shè)計(jì)和控制器件中的電子和光學(xué)性質(zhì)的工具。最近，在原子級(jí)薄的二維（2-D）晶體（例如石墨烯）時(shí)代，出現(xiàn)了新型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中原子級(jí)薄層通過(guò)相對(duì)較弱的范德華力保持在一起。

被人們稱為“范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)”的新結(jié)構(gòu)通過(guò)將任意數(shù)量的原子級(jí)薄層堆疊在一起，開(kāi)辟了創(chuàng)造眾多“元”材料和新型設(shè)備的巨大潛力。傳統(tǒng)的三維材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)百種組合，而這種新結(jié)構(gòu)可能會(huì)獲得新的未開(kāi)發(fā)的光電器件功能或不尋常的材料特性。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了由所謂的過(guò)渡金屬二硫化物（TMD）制成范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這是一種常見(jiàn)的的層狀材料。它的三維體積形式有點(diǎn)類似于石墨 （鉛筆芯中使用的材料），可以提取單個(gè)2-D原子碳層石墨烯。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)原子級(jí)薄的半導(dǎo)體TMD在一個(gè)結(jié)構(gòu)中組合時(shí)，它們的特性會(huì)發(fā)生雜化。來(lái)自謝菲爾德大學(xué)的亞歷山大·塔爾塔科夫斯基教授說(shuō)：“這些材料相互影響并改變彼此的屬性，必須被視為一種具有獨(dú)特屬性的全新’元’材料 – 所以一加一不等于二。

“我們還發(fā)現(xiàn)，這種雜化的程度很大程度上取決于每層各個(gè)原子晶格之間的扭曲。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原子層扭曲時(shí)，新的超原子周期性出現(xiàn)在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中 – 稱為莫爾超晶格?！?/p>

“莫爾超晶格，其周期取決于扭曲角度，決定了兩種半導(dǎo)體的特性如何雜化?！?/p>

在其他研究中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研究了類似的效應(yīng)，主要是在石墨烯中，石墨烯是二維材料族的“創(chuàng)始”成員。最新研究表明，其他材料，特別是半導(dǎo)體如TMD，顯示出強(qiáng)烈的雜化，此外還可以通過(guò)扭轉(zhuǎn)角來(lái)控制。

科學(xué)家們相信這項(xiàng)研究顯示了創(chuàng)造新型材料和設(shè)備的巨大潛力。

Tartakovskii教授補(bǔ)充說(shuō)：“范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中原子級(jí)薄材料之間相互作用的復(fù)雜情況越來(lái)越多。這令人興奮，因?yàn)樗峁┝双@得更廣泛的材料特性的機(jī)會(huì)，例如不尋常和扭曲可調(diào)的導(dǎo)電性和光學(xué)響應(yīng)，磁性等。在設(shè)計(jì)新的基于2-D的設(shè)備時(shí)，這可以并將被用作新的自由度。”研究人員希望進(jìn)一步研究以探索更多的材料組合，以了解新方法的功能。