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2010年，诺贝尔物理学奖授予了英国两位物理学家A. Geim和K. Novoselov，以表彰他们首次发现了一种新型碳材料石墨烯。自此，石墨烯开始成为广大老百姓喜闻乐见的一个高科技新名词。各种报导把石墨烯描绘成了世界上最坚硬、导电性最好、导热性最佳、透光性最佳……的神奇材料，也有报导说，依靠石墨烯，可以制造出性能极佳的电池，给手机电池充一次电只需数秒，却可以使用一个星期……通过这些新闻，石墨烯似乎是一个“神一样的存在”。那么石墨烯究竟是什么东西，它真的有传说中的那么奇妙吗？作为石墨烯研究领域的一个从业人员，逼着试着和大家一起了解一下这喧嚣的石墨烯热潮背后的门道。石墨烯和石墨实际上是本家亲戚。我们都知道，石墨是极好的固体润滑剂，这得益于石墨的晶体结构。它完全由碳原子组成，具有层状结构（如图1所示）。每一层内碳原子排列成六边形的网状，层与层之间通过微弱的原子力绑在一起，因而极容易发生相对的滑动，从而起到润滑剂的作用。一小块普通的石墨，里面有数十亿计或更多的这种碳原子层。如果能想办法从中间分离出一层来，这一层碳原子就是传说中的石墨烯。如何从这数十亿计的碳原子层中分离出一层来呢？这看似大海捞针的难题在2004年被英国的两位物理学家A. Geim和K. Novoselov用出人意料的方式解决了。它是如此简单，各位读者自己在家里都可以完成。第二步是找到一个合适的基底来承载石墨烯。如图3所示，这是一小块硅片。硅晶圆是半导体行业里应用最广泛的材料，因而它的价格也很便宜。找来一卷透明胶带，粘上一块石墨，把胶带对折几次，就会使得石墨分成几片。由于石墨中碳原子层与层之间的作用力很微弱，每一次被胶带粘贴和撕开都会使得石墨一分为二。这一步的主要用意是使石墨块里层最干净、最新鲜的原子表面能够暴露出来。接下来，把这刚刚撕出来的石墨表面压到干净的硅基底上，稍微按摩一下胶带，再将其揭起来（像撕创可贴一样），就会在硅基底上留下许多细小的石墨碎片了。这个过程其实和我们熟悉的用铅笔写字的过程非常类似。至此，制造石墨烯的过程就已经完成了。接下来就是寻找石墨烯。应该说，这一步才是Geim和Novoselov两位先生对发现石墨烯做出的最重要的贡献。通过光学显微镜，我们可以看到硅片表面粘附了大大小小许多石墨片，如图4所示，它们呈现出各种颜色，并不像宏观的石墨那样是单一的黑色。这是因为这些石墨片都非常薄，就像水面的油膜会呈现出各种颜色一样，当石墨片薄到和可见光波长相当（500nm左右），甚至更薄时，由于光的干涉效应，不同厚度的石墨片也会呈现出各种颜色，而不是乏味的黑色。
注意，在图4中间位置，我用箭头标出了一片约为1nm厚的石墨层，它看上去只有淡淡的一抹颜色。用放大1000倍的显微镜我们可以清晰地看到它的结构，如图5所示。而中央那若有若无的一片浅蓝就是一层石墨原子，也就是传说中的石墨烯（注意，通过它的颜色只能初步判断出它是石墨烯，之后再用更精密的仪器可以测定它的厚度，从而证实它是一层碳原子）。 如果把石墨烯的厚度放大到1m，那么在显微镜下寻找它的过程就相当于从高空俯视，在一个边长20000km的样品上寻找一个尺度约为20km、高度为1m的平台。石墨烯作为石墨的组成部分，继承了石墨的一些优良传统——具有极佳的导电性。石墨是一种很好的导体，这一点大家用万用表测试一下铅笔芯就能验证。普通大块的石墨由于中间含有各种杂质和缺陷，它的导电性能受到了局限。但是如果抽出其中一层原子，这一层完美的晶体就不再受那些杂质和缺陷的影响，从而具有绝佳的导电性能。在半导体行业和研究领域，人们通常用电子的迁移率这个量来衡量导电性的好坏，电子迁移率越高，则电导率越高。以我们现在广泛使用的半导体硅为例，其电子迁移率约为1000（单位为cm2/Vs），而石墨烯的电子迁移率轻松就可以上万或十万（单位cm2/Vs）。极高的电子迁移率正是这个材料引起人们无限美好愿望的开端。大家希望用它来代替硅制作电子器件，那么由于电阻降低，器件的功耗、发热等问题都会得到极大的改善。注意，常有一些新闻报道石墨烯时，着重介绍其电子的运动速度（或者叫费米速度），说仅比光速小300倍，以此来说明它的导电性极佳。其实这是一个误解。导体中电子的费米速度并不能衡量导电性的好坏。一般金属中电子的费米速度差不多都是光速的1/300左右，以金为例，它的电子费米速度是光速的1/200左右，比石墨烯还好。遗憾的是，虽然电子迁移率很高，但是可能高得有点过了。为什么这么说呢？因为现在的电子设备绝大部分是基于数字电路的，是用0和1来进行工作的，也即三极管需要提供高电阻状态（关断）用来代表0，低电阻状态（导通）用来代表1。石墨烯完全胜任低电阻状态，因为它的电阻率可以远低于硅。但是却无法实现高电阻状态，也就是说，用石墨烯做成的三极管无法被关断，因而也就无法实现数字电路中的0。那么石墨烯有没有别的用处呢？目前在能源领域有两个热门的方向获得了许多关注，那就是石墨烯在超级电容和新一代锂电池中应用的可能。锂电池的负极一般由活性炭组成，正极一般由锂的化合物组成。在充满电的情况下，锂离子附着在活性炭表面，并且在碳表面吸引了相等量的电子，所以是呈电中性的。但是由于电子并非直接和锂离子结合在一起，从而很容易分离。当电池正负极之间用导线连接起来以后，这些电子就通过导线流向了正极，而锂离子也在电池内部从负极运动到正极，并在那里与外来的电子复合。在负极时，电子和锂离子之间的势能较高，当它们复合之后，势能变低，这其中的能量差就释放出来，提供给了外电路，比如点亮一个LED或者推动电机转动。大家注意到，电池的正负极内部材料都具有层状结构，这有两方面的用意，一是提供更大的表面积，让更多的锂离子附着，从而提高电池的容量；二是方便锂离子进出电极，这一过程越容易，那么充电就越快，而层状材料提供了很多空间使得锂离子很容易进出。注意，电池负极所采用的活性炭是一种多孔疏松的碳材料，一个很自然的想法就是把活性炭用很多层石墨烯来取代，这样的层状结构更加有规则，更方便于锂离子的进出，从而增加充电的速度。另一方面，还可以在石墨烯上附着其他材料，能够吸附更多的锂离子，从而加大电池的容量。然而，根据笔者肤浅的理解，石墨烯的引入并没没有带来新的电池结构，而只是对原有技术的一个提高。和之前介绍的超级电容的情况类似，虽然我们在实验室里可以做出的石墨烯锂电池的某些性能比现有的锂电池要优越，但是真正要量产，要在成本上和其他技术进行比较，石墨烯离市场化还比较遥远。也许是囿于视野，笔者对于石墨烯的应用前景并不乐观。当我们看到各种新闻报导称赞石墨烯的种种“神迹”时，不要忘了，这些石墨烯的应用并不是创造了一个个全新的技术，而只是对已有技术的提高。那么，如果要投入市场，则只有当石墨烯技术和现有技术相比，能够极大地缩小成本或极高地提升性能，才能在追求利润的市场中生存下来。否则，仅仅是小小的技术进步，不足以使得世界上的众多厂家废弃原有昂贵的生产线，冒着风险，从零开始引入石墨烯。本文为 无线电杂志 微信公众平台原创文章，详细原文请查阅《无线电》杂志2015年第2期。版权所有，欢迎个人转发至朋友圈。公众号、报刊等转载请洽：radio@radio.com.cn …………………………………………………
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