石墨是一類(lèi)層狀的材料，它是由一層又一層的二維平面碳原子網(wǎng)絡(luò )有序堆疊而形成的。由于層間的作用力較弱，因此石墨層間很容易互相剝離，形成薄的石墨片，這也正是鉛筆能在紙上留下痕跡的原因。這樣的剝離存在一個(gè)最小的極限，那就是單層的剝離，即形成厚度只有一個(gè)碳原子的單層石墨，這就是石墨烯。
石墨烯是一種二維晶體，最大的特性是其中電子的運動(dòng)速度達到了光速的1/300，遠遠超過(guò)了電子在一般導體中的運動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱(chēng)為"載荷子"(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對論性的中微子非常相似。人們常見(jiàn)的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。
2、石墨烯特性
石墨烯是由碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質(zhì)，結構非常穩定。其完美的晶格結構，常被誤認為很僵硬，但事實(shí)并非如此。石墨烯各個(gè)碳原子間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形。這樣，碳原子就不需要重新排列來(lái)適應外力，這也就保證了石墨烯結構的穩定，使得石墨烯比金剛石還堅硬，同時(shí)可以像拉橡膠一樣進(jìn)行拉伸。這種穩定的晶格結構還使石墨烯具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì )因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于其原子間作用力非常強，在常溫下，即使周?chē)荚影l(fā)生擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。
石墨烯被證實(shí)是世界上已經(jīng)發(fā)現的最薄、最堅硬的物質(zhì)。美國哥倫比亞大學(xué)James Hone等人最近發(fā)現，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，竟然比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這種物質(zhì)為"太空電梯" 超韌纜線(xiàn)的制造打開(kāi)了一扇"阿里巴巴"之門(mén)，讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(cháng)(約合37000千米)太空電梯可能成為現實(shí)。其厚度只有0.335納米，把2000片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。單層石墨烯幾乎透明，其分子排列緊密，即使原子尺寸最小的氦也不能通過(guò)。美國機械工程師杰弗雷·基薩教授用一種形象的方法解釋了石墨烯的強度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上，才能戳穿只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層。
石墨烯的另一特性是，其導電電子不僅能在晶格中無(wú)障礙地移動(dòng)，而且速度極快，遠遠超過(guò)了電子在金屬導體或半導體中的移動(dòng)速度。還有，其導熱性超過(guò)現有一切已知物質(zhì)。石墨烯的上述特性非常有利于超薄柔性OLED顯示器的開(kāi)發(fā)。據了解，韓國三星公司的研究人員已經(jīng)制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。
●石墨烯應用前景簡(jiǎn)介
1、可做"太空電梯"纜線(xiàn)
據科學(xué)家稱(chēng)，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱(chēng)是人類(lèi)已知的強度最高的物質(zhì)，它將擁有眾多令人神往的發(fā)展前景。它不僅可以開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、可以制造出超堅韌的防彈衣，甚至還為"太空電梯"纜線(xiàn)的制造打開(kāi)了一扇"阿里巴巴"之門(mén)。美國研究人員稱(chēng)，"太空電梯"的最大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛星、長(cháng)達23000英里并且足夠強韌的纜線(xiàn)，美國科學(xué)家證實(shí)，地球上強度最高的物質(zhì)"石墨烯"完全適合用來(lái)制造太空電梯纜線(xiàn)！
人類(lèi)通過(guò)"太空電梯"進(jìn)入太空，所花的成本將比通過(guò)火箭升入太空便宜很多。為了激勵科學(xué)家發(fā)明出制造太空電梯纜線(xiàn)的堅韌材料，美國NASA此前還發(fā)出了400萬(wàn)美元的懸賞。
2、代替硅生產(chǎn)超級計算機
科學(xué)家發(fā)現，石墨烯還是目前已知導電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設備，例如手機，由于工程師們正在設法將越來(lái)越多的信息填充在信號中，它們被要求使用越來(lái)越高的頻率，然而手機的工作頻率越高，熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現，高頻提升的發(fā)展前景似乎變得無(wú)限廣闊了。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級計算機。
3、光子傳感器
石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現在更大的市場(chǎng)上，這種傳感器是用于檢測光纖中攜帶的信息的，現在，這個(gè)角色還在由硅擔當，但硅的時(shí)代似乎就要結束。去年10月，IBM的一個(gè)研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器，接下來(lái)人們要期待的就是基于石墨烯的太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏了。因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)良的透光性。
4、液晶顯示材料
從光學(xué)角度來(lái)說(shuō)，石墨烯是一種“透明”的導體，可以用來(lái)替代現在的液晶顯示材料。目前的液晶顯示器利用的是以銦為基礎的金屬氧化物薄膜，而銦這種金屬十分稀有，預計在未來(lái)十年內就可能出現供應短缺。另外，與目前電腦、手機等電子產(chǎn)品的重要原材料硅相比，石墨烯也具有諸多優(yōu)勢，因此它將來(lái)有望取代硅，在電子產(chǎn)品生產(chǎn)中得到廣泛應用。