石墨烯

**石墨烯**（Graphene）是一種由碳原子以 sp2 混成軌域組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯從前被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直至 2004 年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈・海姆和康斯坦丁・諾沃肖洛夫，成功在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」，共同獲得 2010 年諾貝爾物理學獎。

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的奈米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收 2.3% 的光；導熱系數高達 5,300 W/(m・K)，高於奈米碳管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過 15,000 cm2/(V・s)，又比奈米碳管或矽晶體（monocrystalline silicon）高，而電阻率只約 10-6 Ω・cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。由於它的電阻率極低，電子的移動速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或電晶體。石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來製造透明觸控螢幕、光板，甚至是太陽能電池。

石墨烯另一個特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應。

## 簡介

在最近一次評論中給出的石墨烯定義是:

石墨烯的碳原子排列與石墨的單原子層相同，是碳原子以 sp2 混成軌域呈蜂巢晶格（honeycomb crystal lattice）排列構成的單層二維晶體。石墨烯可想像為由碳原子和其共價鍵所形成的原子網格。石墨烯的命名來自英文的 graphite（石墨）+-ene（烯類結尾）。石墨烯被認為是平面多環芳香烴原子晶體。

石墨烯的結構非常穩定，碳碳鍵僅為 1.42Å。石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力於石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。另外，石墨烯中的電子在軌域中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由於原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯內部電子受到的擾動也非常小。

石墨烯是構成下列碳同素異形體的基本單元：石墨，木炭，碳奈米管和富勒烯。完美的石墨烯是二維的，它只包括六邊形 (等角六邊形); 如果有五邊形和七邊形存在，則會構成石墨烯的缺陷。12 個五角形石墨烯會共同形成富勒烯。

石墨烯捲成圓桶形可以用為碳奈米管；另外石墨烯還被做成彈道電晶體（ballistic transistor）並且吸引了大批科學家的興趣。在 2006 年 3 月，喬治亞理工學院研究員宣布，他們成功地製造了石墨烯平面場效應電晶體，並觀測到了量子干涉效應，並基於此結果，研究出以石墨烯為基材的電路. 

石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它是已知材料中最薄的一種，質料非常牢固堅硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯的原子尺寸結構非常特殊，必須用量子場論才能描繪。

## 發現歷史

在本質上，石墨烯是分離出來的單原子層平面石墨。按照這說法，自從 20 世紀初，X 射線晶體學的創立以來，科學家就已經開始接觸到石墨烯了。1918 年，V. Kohlschütter 和 P. Haenni 詳細地描述了石墨氧化物紙的性質（graphite oxide paper）。1948 年，G. Ruess 和 F. Vogt 發表了最早用透射電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯（層數在 3 層至 10 層之間的石墨烯）圖像。

關於石墨烯的製造與發現，最初，科學家試著使用化學剝離法（chemical exfoliation method）來製造石墨烯。他們將大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨層間化合物。在其三維結構中，每一層石墨可以被視為單層石墨烯。經過化學反應處理，除去嵌入的大原子或大分子後，會得到一堆石墨烯爛泥。由於難以分析與控制這堆爛泥的物理性質，科學家並沒有繼續這方面研究。還有一些科學家採用化學氣相沉積法，將石墨烯薄膜磊晶成長（epitaxial growth）於各種各樣基板（substrate），但初期品質並不優良。

於 2004 年，曼徹斯特大學和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子製程研究所（Institute for Microelectronics Technology）的兩組物理團隊共同合作，首先分離出單獨石墨烯平面。海姆和團隊成員偶然地發現了一種簡單易行的製備石墨烯的新方法。他們將石墨片放置在塑膠膠帶中， 摺疊膠帶粘住石墨薄片的兩側，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重複這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構成 —— 他們製得了石墨烯。當然，僅僅是製備是不夠的。通常，石墨烯會隱藏於一大堆石墨殘渣，很難得會如理想一般地緊貼在基板上；所以要找到實驗數量的石墨烯，猶如東海撈鍼。甚至在範圍小到 1 cm2 的區域內，使用那時代的尖端科技，都無法找到。海姆的秘訣是，如果將石墨烯放置在鍍有在一定厚度的氧化矽的矽片上。利用光波的干涉效應，就可以有效地使用光學顯微鏡找到這些石墨烯。這是一個非常精準的實驗；例如，假若氧化矽的厚度相差超過 5%，不是正確數值 300nm，而是 315nm，就無法觀測到單層石墨烯。

近期，學者研究在各種不同材料基底上面的石墨烯的可見度和對比度，同時也提供一種簡單易行可見度增強方法。另外，使用拉曼顯微學（Raman microscopy）的技術做初步辨認，也可以增加篩選效率。

於 2005 年，同樣曼徹斯特大學團隊與哥倫比亞大學的研究者證實石墨烯的準粒子是無質量迪拉克費米子。類似這樣的發現引起一股研究石墨烯的熱潮。從那時起，上百位才學兼優的研究者踏進這嶄新領域。

現在，眾所皆知，每當石墨被刮磨時，像用鉛筆畫線時，就會有微小石墨烯碎片被製成，同時也會產生一大堆殘渣。在 2004/05 年以前，沒有人注意到這些殘渣碎片有甚麼用處，因此，石墨烯的發現應該歸功於海姆團隊，他們為固體物理學發掘了一顆閃亮的新星。

在工業界，其實早在 2002 年 10 月，全球首篇關於石墨烯的專利就已經被美國華裔科學家張博增博士申報了，專利內容提到了石墨烯組成、生產工藝及應用技術。在這篇專利申報文章中，清楚地闡述了單原子層及多層石墨烯的製備過程。一般認為這是全球最早的關於單層石墨烯、石墨烯增強金屬基、樹脂基、碳基及陶瓷基複合材料的專利。

## 製備方法

2008 年，由機械剝離法製備得到的石墨烯乃世界最貴的材料之一，人髮截面尺寸的微小樣品需要花費 $1,000。漸漸地，隨著製備程式的規模化，成本降低很多。現在，公司能夠以噸為單位買賣石墨烯。換另一方面，生長於碳化矽表面上的石墨烯晶膜的價錢主要決定於基板成本，在 2009 年大約為 $100/cm2。使用化學氣相沉積法，將碳原子沉積於鎳金屬基板，形成石墨烯，浸蝕去鎳金屬後，轉換沉積至其它種基板。這樣，可以更便宜地製備出尺寸達 30 英吋寬的石墨烯薄膜。。

### 撕膠帶法 / 輕微摩擦法

最普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。2004 年，海姆等用這種方法製備出了單層石墨烯，並可以在外界環境下穩定存在。典型製備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進行摩擦，體相石墨的表面會產生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。但缺點是此法利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地製造長度足供應用的石墨薄片樣本。
2016 年， 中國科學家張錦英等發明了一種簡單高效的綠色剝離技術， 通過 「球 - 微球」間柔和的滾動轉移製程實現了少層石墨烯（層數 3.8±1.9）的規模化製備。

### 碳化矽表面磊晶生長

該法是通過加熱單晶碳化矽脫除矽，在單晶（0001）面上分解出石墨烯片層。具體過程是：將經氧氣或氫氣蝕刻處理得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加熱，除去氧化物。用奧杰電子能譜確定表面的氧化物完全被移除後，將樣品加熱使之溫度升高至 1250~1450℃後恆溫 1min~20min，從而形成極薄的石墨層，經過幾年的探索，克萊爾・伯格（Claire Berger）等人已經能可控地製備出單層或是多層石墨烯。在 C-terminated 表面比較容易得到高達 100 層的多層石墨烯。其厚度由加熱溫度決定，製備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。

### 金屬表面生長

取向附生法是利用生長基質原子結構「種」出石墨烯，首先讓碳原子在 1150℃下滲入釕，然後冷卻，冷卻到 850℃後，之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子「孤島」布滿了整個基質表面，最終它們可長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋 80% 後，第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產生強烈的交互作用，而第二層後就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現令人滿意。但採用這種方法生產的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質之間的黏合會影響碳層的特性。另外彼得・瑟特（Peter Sutter）等使用的基質是稀有金屬釕。

### 氧化減薄石墨片法

原理為使用強氧化劑，於石墨的層狀結構中間進行插層氧化，使層與層之間存在帶負電的氧化官能基，克服石墨層間的凡得瓦力，並通過水分子的插層，大幅增加層間距離，使氧化石墨烯的剝離更容易。氧化石墨烯則可進一步通過使用還原劑，製備出石墨烯。

對石墨進行插層氧化的技術早於 19 世紀經已存在。其先驅者包括 Brodie、Staudenmaier 和 Hummers。2007 年，由 Stankovich 率先將 Hummers 氧化法投入剝離技術，生成接近 2nm 厚度、具穩定性的石墨片。

石墨烯也可以通過加熱氧化的辦法一層一層的減薄石墨片，從而得到單、雙層石墨烯
。

### 肼還原法

將氧化石墨紙置入純肼 (Hydrazine, N2H4) 溶液（一種氫原子與氮原子的化合物），這溶液會使氧化石墨烯紙還原為單層石墨烯。

### 乙氧鈉裂解

一份於 2008 年發表的論文，描述了一種程式，能夠製造達到公克數量的石墨烯。首先用鈉金屬還原乙醇，然後將得到的乙醇鹽（ethoxide）產物裂解，經過水沖洗除去鈉鹽，得到黏在一起的石墨烯，再用溫和聲波振動（sonication）振散，即可製成公克數量的純石墨烯。

### 切割碳奈米管法

切割碳奈米管也是製造石墨烯帶的正在試驗中的方法。其中一種方法用過錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多層壁碳奈米管（Multi-walled carbon nanotubes）。另外一種方法使用電漿蝕刻（plasma etching）一部分嵌入於聚合物的奈米管。

### 石墨的聲波處理法

這方法包含分散在合適的液體介質中的石墨，然後被超音波處理。通過離心分離，非膨脹石墨最終從石墨烯中被分離。這種方法是由 Hernandez 等人首次提出，他得到的石墨烯濃度達到了 0.01 mg/ml 在 N - 甲基吡咯烷酮（N-methylpyrrolidone, NMP）。然後，該方法主要是被多個研究小組改善。特別是，它得到了在義大利的阿爾貝托・馬里亞尼（Alberto Mariani）小組的極大改善。馬里亞尼等人達到在 NMP 中的濃度為 2.1mg/ml（在該溶劑中是最高的）。同一小組發表的最高的石墨烯的濃度是在已報告的迄今在任何液體中的和通過任意的方法得到的。一個例子是使用合適的離子化液體作為分散介質用於石墨剝離；在此培養基中獲得了非常高的濃度為 5.33mg/ml。

## 重要性質

在發現石墨烯以前，絕大多數物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發現立即震撼了凝態物理學學術界。雖然理論和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩定存在，但是單層石墨烯在實驗中被製備出來。這些可能歸結於石墨烯在奈米級別上的微觀皺紋。

石墨烯還表現出了異常的整數量子霍爾效應。其霍爾電導 = 2e²/h,6e²/h,10e²/h.... 為量子電導的奇數倍，且可以在室溫下觀測到。這個行為已被科學家解釋為「電子在石墨烯里遵守相對論量子力學，沒有靜質量」。

2007 年，先後三篇文章聲稱在石墨烯的 p-n 或 p-n-p 結構中觀察到了分數量子霍爾效應行為。物理理論家已經解釋了這一現象。2009 年，美國兩個實驗小組分別在石墨烯中觀測到了填充數為 1/3 的分數量子霍爾效應 。日前，海姆教授對於石墨烯研究進展和未來展望撰寫了文章。

### 原子結構

懸掛於金屬網柵上方，隔離的單層石墨烯平片，可以用穿透式電子顯微鏡觀測。顯示出的石墨烯平片皺紋，其波幅大約為一奈米。這些皺紋可能是內稟的，因為二維晶體不穩定性而產生的現象；也可能是外來的，源自於所有穿透式電子顯微鏡圖像裡，都可以觀察得到的無所不在的污塵。隔離的單層石墨烯貼附在氧化矽基板上方，其原子解析度的真實空間圖像，可以用掃描隧道顯微鏡觀測得到。經過微影術處理後的石墨烯會被光阻劑渣滓覆蓋，必須清洗除去這些渣滓，才能得到原子解析度圖像。這些渣滓可能是穿透式電子顯微鏡所觀測到的吸附物，可能是造成皺紋的因素。貼附在氧化矽表面上的石墨烯所顯示出的皺紋，是因為石墨烯會遵照氧化矽表面的樣式，所以不是內稟效應。

### 電子性質

石墨烯的性質與大多數常見的三維物質不同，純石墨烯是一種半金屬或零能隙半導體。

理解石墨烯的電子結構是研究其能帶結構的起始點。參閱前面能帶結構圖，科學家很早就察覺，對於低能量電子，在二維的六角形布里元區的六個轉角附近，能量 - 動量關係是線性關係：

　
: $E=\hbar v_{F}k=\hbar v_{F}{\sqrt {k_{x}^{2}+k_{y}^{2}}}\,\!$ ;

其中， $E\,\!$ 是能量， $\hbar \,\!$ 是約化普朗克常數， $v_{F}\approx 10^{6}\,\!$ 是費米速度， $k_{x}\,\!$ 與 $k_{y}\,\!$ 分別為波向量的 x - 軸分量與 y - 軸分量。

這引至電子和電洞的有效質量都等於零。因為這線性色散關係，電子和電洞在這六點附近的物理行為，好似由狄拉克方程式描述的相對論性自旋 1/2 粒子。所以，石墨烯的電子和電洞都被稱為狄拉克費米子，布里元區的六個轉角被稱為「狄拉克點」，又稱為「中性點」。在這位置，能量等於零，載子從電洞變為電子，從電子變為電洞。

#### 石墨烯奈米帶的電子性質

雖然二維方向延展的石墨烯是零能隙半導體，但如果按照特定樣式切割，形成石墨烯奈米帶後，晶格在某些方向不再是週期性的，電子受到束縛，其表現出金屬性還是半導體性取決於其構型。

鋸齒型（Zig-zag 型）石墨烯永遠是金屬性的。而扶手椅形 (armchair 型) 石墨烯的能帶可能是半導體也可能是金屬，取決於奈米帶的寬度。

#### 電子傳輸

電子傳輸測量結果顯示，在室溫狀況，石墨烯具有驚人的高電子遷移率，其數值超過 15,000 cm2V−1s−1。從測量得到的電導數據的對稱性顯示，電洞和電子的遷移率應該相等。在 10 K 和 100 K 之間，遷移率與溫度幾乎無關，可能是受限於石墨烯內部的缺陷所引發的散射。在室溫和載子密度為 1012 cm−2 時，石墨烯的聲子散射體造成的散射，將遷移率上限約束為 200,000 cm2V−1s−1。與這數值對應的電阻率為 10−8 Ω·m，稍小於銀的電阻率 1.59 ×10−8 Ω·m。在室溫，電阻率最低的物質是銀。所以，石墨烯是很優良的導體。對於緊貼在氧化矽基板上面的石墨烯而言，與石墨烯自己的聲子所造成的散射相比，氧化矽的聲子所造成的散射效應比較大，這約束遷移率上限為 40,000 cm2 V−1s−1。

雖然在狄拉克點附近，載子密度為零，石墨烯展示出最小電導率的存在，大約為 $4e^{2}/h\,\!$ 數量級。造成最小電導率的原因仍舊不清楚。但是，石墨烯片的皺紋或在 SiO2 基板內部的離子化雜質，可能會引使局域載子群集，因而容許電傳導。有些理論建議最小電導率應該為 $4e^{2}/\pi h\,\!$ 。但是，大多數實驗測量結果為 $4e^{2}/h\,\!$ 數量級，而且與雜質濃度有關。

在石墨烯內嵌入化學摻雜物可能會對載子遷移率產生影響，做實驗可以偵測出影響程度。有一組實驗者將各種各樣的氣體分子（有些是施體有些是受體）摻入石墨烯，他們發覺，甚至當化學摻雜物濃度超過 1012 cm−2 時，載子遷移率並沒有任何改變。另一組實驗者將鉀摻入處於超高真空（ultra high vacuum）、低溫的石墨烯，他們發現鉀離子的物理行為與理論相符合，遷移率會降低 20 倍。假若，將石墨烯加熱，除去鉀摻雜物，則遷移率降低效應是可逆的。

由於石墨烯的二維性質，科學家認為電荷分數化（低維物質的單獨準粒子的表觀電荷小於單位量子）會發生於石墨烯。因此，石墨烯可能是製造量子計算機所需要的任意子元件的合適材料。

目前在扭雙層石墨烯能觀察到極低溫超導性質。2018 年 3 月僅 21 歲的中國物理學生曹原在《自然》期刊上以第一作者發表兩篇論文，內容是試驗發現兩層石墨烯以 1.1 度的偏轉夾角疊起來時實現了 1.7K 溫度下的超導，此種超導方式雖然離高溫超導甚遠，但重大價值在於向揭開超導原理的成因邁出一大步，一種絕緣體或不良導體透過參雜與變換突然變成超導體，是眾多當前熱門銅氧系超導材料的特性，所以石墨這種本質上如此常見的物質僅僅是薄化成了石墨烯再用特定方式堆疊就出現超導特性，大大減少了推理解決超導之謎的參數複雜度，此發現的重大線索特性讓自然雜誌在論文刊出 3 天後撰寫了一篇編輯評論《驚人的石墨稀發現與解開超導秘密》，認為這種思維路徑很可能指引一條道路最終解開超導之謎，從而能用推演設計法製造出一種地球環境的常溫超導體。羅伯特・勞夫林 (1998 年諾貝爾物理獎得主) 發表文章認為這給出了「一個令人目眩的暗示」也許超導體成因沒有想像中複雜，終有一天能輕易用一套物理計算法算出怎樣的物質在怎樣情境下能超導，那時瞬間就能推理設計出常溫超導體，大幅改變科技進程。

### 光學性質

根據理論推導，懸浮中的石墨烯會吸收 $\pi \alpha \approx 2.3\%\,\!$ 的白光；其中 $\alpha \,\!$ 是精細結構常數。一個單原子層物質不應該有這麼高的不透明度（opacity），單層石墨烯的獨特電子性質造成了這令人驚異的高不透明度。更令人詫異的是，這不透明度只與精細結構常數 $\alpha \,\!$ 有關，而精細結構常數通常只出現於量子電動力學，很少會在材料科學領域找到它。由於單層石墨烯不尋常的低能量電子結構，在狄拉克點，電子和電洞的圓錐形能帶（conical band）會相遇，因而產生高不透明度結果。實驗證實這結果正確無誤，石墨烯的不透明度為 $2.3\pm 0.1\%\,\!$ ，與光波波長無關。但是，由於準確度不夠高，這方法不能用來決定精細結構常數的度量衡標準。

近來，有實驗示範，在室溫，通過施加電壓於一個雙閘極雙層石墨烯場效電晶體，石墨烯的能隙可以從 0 eV 調整至 0.25 eV（大約 5 微米波長）。通過施加外磁場，石墨烯奈米帶的光學響應也可以調整至太赫茲頻域。

#### 飽和吸收

當輸入的光波強度超過閾值時，這獨特的吸收性質會開始變得飽和。這種非線性光學行為稱為**可飽和吸收**（saturable absorption），閾值稱為**飽和流暢性**（saturable fluency）。給予強烈的可見光或近紅外線激發，因為石墨烯的整體光波吸收和零能隙性質，石墨烯很容易就可以變得飽和。石墨烯可以用於光纖雷射器（fiber laser）的鎖模（mode locking）運作。用石墨烯製備成的可飽和吸收器能夠達成全頻帶鎖模。由於這特殊性質，在超快光子學裏，石墨烯有很廣泛的應用空間。

#### 非線性克爾效應

在更密集的雷射照射下，除了眾所周知的可飽和吸收效應之外，石墨烯也可以具備由於光學非線性克爾效應的非線性相移。

### 自旋傳輸

科學家認為石墨烯會是理想的自旋電子學材料，因為其自旋 - 軌道作用很小，而且碳元素幾乎沒有核磁矩（nuclear magnetic moment）。使用非局域磁阻效應，可以測量出，在室溫狀況，自旋注入於石墨烯薄膜的可靠性很高，並且觀測到自旋相干長度超過 1 微米。使用電閘，可以控制自旋電流的極性。

### 反常量子霍爾效應

量子霍爾效應只發生於二維導體。這效應促成了一種新度量衡標準，稱為電阻率量子（resistivity quantum） $h/e^{2}\,\!$ ；其中， $e\,\!$ 是單位電量， $h\,\!$ 是普朗克常數。垂直於外磁場的載流導線，其橫向電導率會呈現量子化值。稱這橫向電導率為霍爾電導率（Hall conductivity），以方程式表示為

　
: $\sigma _{xy}=Ne^{2}/h\,\!$ ；

其中， $N\,\!$ 是整數。

 $N\,\!$ 稱為蘭道能級指標（Landau level index），通常這霍爾電導率現象只能在非常低溫（3K），非常高磁場，從非常乾淨的 Si 或 GaAs 固體觀測出來，

處於外磁場中時，石墨烯的電導率會展現出反常量子霍爾效應 $\sigma _{xy}=4(N+1/2)e^{2}/h\,\!$ ，其階梯序列與原本的階梯序列相差 $1/2\,\!$ ，還添增了由雙重峽谷和雙重自旋簡併產生的乘法因子 $4\,\!$ 。這值得注意的異常現象，在室溫就可以測量出來。主要原因是，在石墨烯內部的零質量迪拉克費米子具有很高的迴旋能隙 $\hbar \omega _{c}\,\!$ 。這些迪拉克費米子的能級為 $E_{N}=v_{F}{\sqrt {2e\hbar BN}}\,\!$ ；其中， $v_{F}\,\!$ 是費米速度， $B\,\!$ 是磁場。假設磁場為 $B=45T\,\!$ ，費米能處於基態 $N=0\,\!$ 與第一激發態 $N=\pm 1\,\!$ 之間，則能隙為 $\Delta E\approx 2800K\,\!$ ，大約為室溫熱能的 10 倍。

### 石墨烯氧化物

通過對石墨烯進行氧化及化工處理，然後使他們漂浮在水中，石墨烯會剝落並形成有強力鍵的單層。這些被稱為石墨烯氧化物（graphene oxide）的層狀材料被測量到具有 32 GPa 的拉伸模數。

### 化學改性

可以在實驗室中通過化學改性的石墨製備的石墨烯的可溶性片段

### 熱性能

石墨烯的導熱性能優於碳奈米管。普通碳奈米管的導熱係數可達 3500W/mK，各種金屬中導熱係數相對較高的有銀、銅、金、鋁，而單層石墨烯的導熱係數可達 5300W/mK。優異的導熱性能使得石墨烯有望作為未來超大規模奈米積體電路的散熱材料。

### 機械性能

在 2009 年，石墨烯是人類已知測量過的強度最高的物質。它的強度比鋼鐵還要高 200 倍，具有 1 TPA​​（150,000,000 psi）時的拉伸模量（剛度）。

## 潛在的應用

### 單分子氣體偵測

石墨烯獨特的二維結構使它在感測器領域具有光明的應用前景。巨大的表面積使它對周圍的環境非常敏感。即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。這檢測目前可以分為直接檢測和間接檢測。通過穿透式電子顯微鏡可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程。通過測量霍爾效應方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當一個氣體分子被吸附於石墨烯表面時，吸附位置會發生電阻的局域變化。當然，這種效應也會發生於別種物質，但石墨烯具有高電導率和低雜訊的優良品質，能夠偵測這微小的電阻變化。

### 光能飛行器

中國南開大學 2015 年 6 月中在《自然》期刊下屬的自然光學期刊發布了一則研究報告，陳永勝教授其團隊發現一種特殊三維構型的石墨烯塊，在室溫且真空無阻力下被光線照射時居然會被推進移動，其效應是巨觀的而非微觀，半公分立方大小的實驗體被光線照射後前進了數公分距離，其原理還是謎，推測可能是該種構型石墨烯在受光後瞬間會產生大電子流，其非常適合用於太空領域的太陽帆，計算得知約 50 平方公尺的石墨烯帆能讓 5 公斤的酬載物在 20 分鐘加速到第一宇宙速度。

### 石墨烯奈米帶

為了要賦予單層石墨烯某種電性（比如製造電晶體），會按照特定樣式切割石墨烯，形成石墨烯奈米帶。切開的邊緣形狀可以分為鋸齒形和扶手椅形。採用緊束縛近似模型做出的計算，預測鋸齒形具有金屬鍵性質（如右圖所示），又預測扶手椅形具有金屬鍵性質或半導體性質；到底是哪種性質，要依寬度而定。。可是，近來根據密度泛函理論計算得到的結果，顯示出扶手椅形具有半導體性質，其能隙與奈米帶帶寬成反比（如右圖所示）。實驗結果確實地展示出，隨著奈米帶帶寬減小，能隙會增大。但是，直至 2008 年 2 月，尚沒有任何測量能隙的實驗試著辨識精確邊緣結構。

石墨烯奈米帶的結構具有高電導率、高熱導率、低雜訊，這些優良品質促使石墨烯奈米帶成為積體電路互連材料的另一種選擇，有可能替代銅金屬。有些研究者試著用石墨烯奈米帶來製成量子點，他們在奈米帶的某些特定位置改變寬度，形成量子禁閉（quantum confinement）。

石墨烯奈米帶的低維結構具有非常重要的光電性能：粒子數反轉和寬帶光增益。這些優良品質促使石墨烯奈米帶放在微腔或奈米腔體中形成雷射器和放大器。 
根據 2012 年 10 月的一份研究表明有些研究者試著用石墨烯奈米帶應用於光通信系統，發展石墨烯奈米帶雷射器。

### 積體電路

石墨烯具備作為優秀的積體電路電子元件的理想性質。石墨烯具有高的載子遷移率（carrier mobility），以及低雜訊，允許它被用作在場效應電晶體的通道。問題是單層的石墨烯製造困難，更難作出適當的基板。

根據 2010 年 1 月的一份報告中，對 SiC 磊晶生長石墨烯的數量和質量適合大規模生產的積體電路 (積體電路)。在高溫下，在這些樣品中的量子霍爾效應可以被測量。另請參閱 IBM 在 2010 年的工作的電晶體一節中，速度快的電晶體 ' 處理器 ' 製造了 2 - 英寸（51 - 公釐）的石墨烯薄片。

2011 年 6 月，IBM 的研究人員宣布，他們已經成功地創造第一個石墨烯為基礎的積體電路 (積體電路)- 寬帶無線混頻器。電路處理頻率高達 10 GHz，其性能在高達 127℃的溫度下不受影響。

### 石墨烯電晶體

2005 年，Geim 研究組與 Kim 研究組發現，室溫下石墨烯具有 10 倍於商用矽片的高載子遷移率（約 10 am /V・s），並且受溫度和摻雜效應的影響很小，表現出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性（300 K 下可達 0.3 m），這是石墨烯作為納電子元件最突出的優勢，使電子工程領域極具吸引力的室溫彈道場效電晶體成為可能。較大的費米速度和低接觸電阻則有助於進一步減小元件開關時間，超高頻率的操作響應特性是石墨烯基電子元件的另一顯著優勢。在現代技術下，石墨烯奈米線可以證明一般能夠取代矽作為半導體。

### 透明導電電極

石墨烯良好的電導性能和透光性能，使它在透明電導電極方面有非常好的應用前景。觸控螢幕、液晶顯示、有機太陽能光電電池、有機發光二極體等等，都需要良好的透明電導電極材料。特別是，石墨烯的機械強度和柔韌性都比常用材料氧化銦錫優良。由於氧化銦錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內的石墨烯薄膜可以沉積於大面積區域。

通過化學氣相沉積法，可以製成大面積、連續的、透明、高電導率的少層石墨烯薄膜，主要用於太陽能光電元件的陽極，並得到高達 1.71% 能量轉換效率；與用氧化銦錫材料製成的元件相比，大約為其能量轉換效率的 55.2%。

### 導熱材料 / 熱界面材料

2011 年，美國喬治亞理工學院學者首先報導了垂直排列官能化多層石墨烯三維立體結構在熱界面材料中的應用及其超高等效熱導率和超低界面熱阻。

### 場發射源及其真空電子元件

早在 2002 年，垂直於基底表面的石墨烯奈米牆就被成功製備出來。它被看作是非常優良場致發無線電子源材料。 最近關於單片石墨烯的電場致電子發射效應也見諸報導。

### 超級電容器

由於石墨烯具有特高的表面面積對質量比例，石墨烯可以用於超級電容器的導電電極。科學家認為這種超級電容器的儲存能量密度會大於現有的電容器。

### 海水淡化

研究表明，石墨烯過濾器可能大幅度的勝過其他的海水淡化技術。由於石墨烯是一個平面結構，所以它具有很大的面積體積比，這使得石墨烯擁有很大的吸附能力，有些雜質就可以吸附到石墨烯的表面。

### 太陽能電池

南加州大學維特比工程學院的實驗室報告高度透明的石墨烯薄膜的化學氣相沉積法在 2008 年的大規模生產。在這個過程中，研究人員創建超薄的石墨烯片，方法是在甲烷氣體中的鎳板上，由首先沉積的碳原子形成石墨烯薄膜的形式。然後，他們在石墨烯層之上鋪一層熱塑性保護層，並且在酸浴中溶解掉下面的鎳。在最後的步驟中，他們把塑膠保護的石墨烯附著到一個非常靈活的聚合物片材，它可以被納入一個有機太陽能電池（石墨烯太陽能光電電池）。石墨烯 / 聚合物片材已被生產，大小範圍在 150 平方公分，​​和可以用來生產靈活的有機太陽能電池。這可能最終有可能運行能覆蓋廣泛的地區的廉價太陽能電池，就像報紙印刷機的印刷報紙一樣（卷到卷，（roll-to-roll））。

2010 年，李新明和朱宏偉等人首次將石墨烯與矽結合構建了一種新型的太陽能電池。在這種簡易的石墨烯 / 矽模型中，石墨烯不僅可以作為透明導電薄膜，還可以在與矽的界面處分離光生載子。這種可以與傳統矽材料結合的結構，為推動基於石墨烯的太陽能光電元件開闢了新的研究方向。

### 石墨烯生物元件

由於石墨烯的可修改化學功能、大接觸面積、原子尺寸厚度、分子閘極結構等等特色，應用於細菌偵測與診斷元件，石墨烯是個很優良的選擇。

科學家希望能夠發展出一種快速與便宜的快速電子 DNA 定序科技。它們認為石墨烯是一種具有這潛能的材料。基本而言，他們想要用石墨烯製成一個尺寸大約為 DNA 寬度的奈米洞，讓 DNA 分子遊過這奈米洞。由於 DNA 的四個鹼基（A、C、G、T）會對於石墨烯的電導率有不同的影響，只要測量 DNA 分子通過時產生的微小電壓差異，就可以知道到底是哪一個鹼基正在遊過奈米洞。這樣，就可以達成目的。

### 抗菌物質

中國科學院上海分院的科學家發現石墨烯氧化物對於抑制大腸桿菌的生長超級有效，而且不會傷害到人體細胞。假若石墨烯氧化物對其他細菌也具有抗菌性，則可能找到一系列新的應用，像自動除去氣味的鞋子，或保存食品新鮮的包裝。

### 石墨烯感光元件

一群來自新加坡專精於石墨烯材質研究的科學家們，現在研發出將石墨烯應用於相機感光元件的最新技術，可望徹底顛覆未來的數位感光元件技術發展。

新加坡南洋理工大學學者，研發出了一個以石墨烯作為感光元件材質的新型感光元件，可望透過其特殊結構，讓感光元件感光能力比起傳統 CMOS 或 CCD 要好上 1,000 倍，而且損耗的能源也僅需原本的 1/10。這個感度幾乎提升到爆表的最新感光元件技術，根據資料，實際上還真的厲害到超出人眼可視的中紅外線範圍。與許多新的感光元件技術相同，這項技術初期將率先被應用在監視器與衛星影像領域之中。但研究也指出，此技術終將應用在一般的數位相機 / 攝影機之上，假若真的進入消費領域以石墨烯打造的最新感光元件，還可能製造成本壓到現今的 1/5 低。

### 抗癌治療

氧化石墨烯，石墨烯的衍生化合物，被認為可以應用在癌症的治療上。其原理是氧化石墨烯能夠辨識癌細胞與正常細胞電子密度的不同，進而附著在癌幹細胞上，使其能被標靶藥物所作用，達到抑止腫瘤遠端轉移的效果。這突破性的發現，能夠補足傳統化學治療和放射治療只能殺死分化後癌細胞的缺點，預期能達成更高的治療反應率與病患存活率。目前該團隊經實驗證明氧化石墨烯能夠抑制 6 種癌症 (乳癌、胰臟癌、腦癌、肺癌、卵巢癌、攝護腺癌) 之腫瘤球 (tumour sphere) 形成，因而能抑止其擴散。當前氧化石墨烯尚在研究階段，期待將來經過層層臨床試驗後，能夠為現今抗癌治療帶來一線曙光。

## 參看

* 芳香性
* 富勒烯
* 多環芳香烴
* 碳奈米管
* 石墨烯奈米帶
* 矽烯

## 參考文獻