一、前言

随着2010年诺贝尔物理学奖得主的揭晓，科学界又开始了一轮新的关于诺贝尔奖的讨论，同时石墨烯(Graphene)也成为大家讨论的焦点。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫利用普通胶带成功地从石墨中剥离出石墨烯，这种材料仅有一个碳原子厚，是目前已知的最薄的材料。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固而柔软;作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破，它的问世引起了全世界的研究热潮。

本文拟通过对已发表的与石墨烯相关的文献进行分析，以理清石墨烯研究发展的演化趋势以及学科发展的前沿领域，展现石墨烯的发展脉络及运用前景。

二、石墨烯的概念

拿破仑曾经说过:笔比剑更有威力!他说这话的意思是指舆论比武力更厉害。不过，他绝对没有想到铅笔芯中确实包含着地球上强度最高的物质!我们知道，铅笔芯的原材料是石墨，而石墨是一类层状的材料，即由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于碳层之间的作用力比较弱，因此石墨层间很容易互相剥离开来，从而形成很薄的石墨片层，这也正是铅笔可以在纸上留下痕迹的原因。如果将石墨逐层地剥离，直到最后只形成一个单层，即厚度只有一个碳原子的单层石墨，这就是石墨烯.石墨烯的厚度只有0.335nm，比纸还要薄100万倍，把20万片石墨烯叠加到一起，也只有一根头发丝的厚度，但是它的强度却比钻石还要坚韧，同时，作为单质，它在室温下传递电子的速度要超过任何一种已知的导体。

石墨烯Graphene是碳的一种形式，它具有完整的原子晶格，其厚度恰恰为一个原子，作为一种全新的材料，它不仅有从未见过的薄!，而且还是特强!的.两位获奖者AndreGeim和KonstantinNovoselov指出:处于这种平面形式的碳，具有非凡的量子物理世界的独特性质.石墨烯作为一种电的导体，表现出与铜一样的导电性，而作为一种热导体，它比其他的已知材料更为杰出。它几乎是完全透明的，但是它却相当的稠密，以致使如氦(He)那样最小的气体分子，也不能通过它.Geim和Novoselov是从一块通常在铅笔中使用的石墨内取出石墨烯的.他们以常用的透明胶纸，设法得到具有恰是一个原子厚的碳薄片.当时许多人认为如此薄的晶体材料是不可能保持稳定的。然而在目前，石墨烯已被物理学家作为一类新的具有独特性能的二维材料进行着研究.可以预测:由石墨烯所制得的晶体管，将比今天所用的硅晶体管有着更快的速度，从而使计算机的效率获得进一步的提高.因为石墨烯是透明的，又是优良的导体，所以它适用于制作透明的触摸屏、光板(lightpanel)，甚至可应用于太阳能电池.将石墨烯混合于塑料中，可以使塑料成为导电材料，同时也使之变得更加抗热和具机械耐力.它的良好恢复力可使之用作超强材料，并且是很薄的、具有弹性的轻质材料.因此，可以预期将来的人造卫星、飞机，甚至汽车都可能用这类新的复合材料为原料进行制造。

三、石墨烯的结构和性质

石墨烯仅仅是一个原子的厚度——或许是宇宙中最薄的材料——并形成了高质量的晶体格栅。石墨烯是由碳原子六角结构(蜂窝状)紧密排列构成的二维单层石墨，是构造其他维度碳质材料的基本单元。它可以包裹形成0维富勒烯（Fullerene），它也可以卷起来形成一维的碳纳米管(CarbonNanotube)；同样，它也可以层层堆叠构成三维的石墨。迄今为止，研究者们仍没有发现石墨烯中会有碳原子缺失的情况，但是在2007年，Meyer等人观察到石墨烯的单层并不是完全平整的，它的表面会有一定高度的褶皱，单层石墨烯的褶皱程度明显高于双层石墨烯，并且褶皱程度会随着石墨烯层数的增加而越来越小。一些研究者认为，从热力学的角度来分析，这可能是由于单层石墨烯为降低其表面能，由二维形貌向三维形貌转换，或者也可以认为褶皱是二维石墨烯存在的必要条件之一。但具体的原因还有待进一步研究和探索。

另外，石墨烯中的各个碳原子之间的连接十分柔韧，当对其施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了该材料结构的稳定性.同时，这种稳定的晶格结构也使石墨烯具有优秀的导电性，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温环境下，即使周围的碳原子互相发生了挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也会非常小。作为单质，石墨烯最大的特性是它在室温下传递电子的速度比已知的任何导体都快，其中电子的运动速度可以达到光速的1/300，大大超过了电子在一般导体中的运动速度。另外，它也是目前已知材料中电子传导速率最快的材料，其室温下的电子迁移速率可高达15000cm²/(V∀s) 。同时，科学家们还发现单层的石墨烯具有很大的比表面积，可达到2600m²/g。另外，石墨烯还具有突出的导热性能、优异的量子隧道效应、零质量的狄拉克费米子行为及特殊的半整数量子霍尔效应。

四、石墨烯的研究前沿及国内外发展态势分析

自从AndreK.Geim研究小组于2004年首次成功获得石墨烯以来，人们就对这种有着优异的物理和化学特性的非凡材料寄予了厚望，全球的研究人员和工程师们对它的关注和研究也与日俱增。

如前所述，石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮，已经成为物理学界、化学界与材料科学界最热门的研究主题之一。根据Thomson基本科学指标数据库(ESI，覆盖时间范围为1999年1月1日至2009年8月31日)，在物理、化学、材料以及所有学科领域中，涉及graphene的研究前沿(ResearchFronts)数量分别为19、14、7和31个。这从下图给出的年度SCI论文数量以及作者和关键词变化更新趋势可见一斑。

石墨烯SCI论文数量年度分布图      作者和关键词的变化更新趋势图

从石墨烯SCI论文数量年度分布图可以看出，2004年、2005年全球发表的石墨烯SCI论文数量均不足200篇，而2007年已增至650篇，2008年更是急增至近1200篇，几乎是在以指数增幅增长。

另外，从作者和关键词的变化更新趋势图还可以看出，每年都有更多的新作者加入到石墨烯的研究队伍中来，每年都会出现更多的新关键词。这表明，越来越多的研究人员开始关注石墨烯的研究；同时，石墨烯的研究涉及的具体方向也越来越多。因此，有关石墨烯的研究是目前正在高速发展的一个领域。

下图绘出了主要国家和地区在石墨烯领域的研究与合作情况。从该图可以看出，石墨烯领域的国际合作主要是在美国与欧洲一些国家，美国与中国、日本、韩国等亚洲国家，以及欧洲各主要国家之间展开的。本次分析的4044篇文献中共有国际合作论文1171篇，其中美国机构参与的有520篇，占到44%，远高于其他国家，这也从另一个侧面反映出美国正在引领石墨烯领域的研究与国际合作。国际合作论文排名第2至9位的国家依次是德国(240)、中国(188)、英国(159)、法国(150)、西班牙(147)、日本(136)、荷兰(89)、意大利(83)、俄罗斯(81)。

国家(地区)论文数量及其引用情况表

从发文量来看，虽然石墨烯最早是由英国学者于2004年获得的，但从表3可以看出，在2004年当年，美国、日本就分别以47篇和35篇位居论文数前两位，远高于包括英国在内的其他国家。论文总量排名前五位的分别是：美国(1424篇)、中国(546篇)、日本(437篇)、德国(385篇)和英国(234篇)；从发文量变化情况来看，各主要国家/地区均呈现整体上升趋势，美国始终居于领先地位，日本的增幅明显小于美国，而且与美国的差距越来越大。2006年起，中国发文量快速上升，2008年已超过日本，但与美国的差距仍然较大。

从论文被引用情况来看，美国的总被引次数和H指数均位居第1，且远高于随后国家，篇均被引次数和论文被引率也均排名前5，这表明美国正在引领石墨烯领域的研究；英国的总被引次数、H指数均位居第2，论文被引率排名第7，但其篇均被引次数排名第1，这在很大程度上是得益于AndreGeim教授小组的研究工作：全部论文中，被引次数超过200的共有29篇，其中英国12篇，而AndreGeim教授小组则占了11篇，特别是囊括了被引次数排名第1(被引1926次)、第2(被引1698次)、第4(被引1261次)的高被引论文，相比之下，我国虽然论文数量仅次于美国，位居第2，但各被引指标排名均不理想，说明我国在论文质量方面亟需提高。

五、石墨烯的运用前景展望

自从石墨烯发现以来，关于石墨烯的研究不断取得重要进展，其在微电子、量子物理、材料、化学等领域都表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如铜和硅远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%~80%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非同寻常的优良特性。科学家发现，石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。

石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。去年10月，IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，用它制造的电极比其他材料具有更优良的透光性。

利用石墨烯作为电极的太阳电池模型  

(从下到上分别为Au，染料敏化异质结，TiO₂和石墨烯) 

 由石墨烯和碳纳米管组成的3D结构储氢模型

碳原子之间的作用力很强，因此石墨烯的晶体结构总可以保持完整，这是电子在石墨烯上畅通迁移的保证。和传统的硅材料半导体相比，石墨烯的电子迁移效率要高出几十倍乃至于上百倍，这也正是科学家们如此期待用石墨烯取代硅而成为未来超高频晶体管材料的缘故。依据“摩尔定律”，集成电路上可容纳的晶体管数量每隔18个月会增加一倍，性能也提高一倍，这个定律显示了信息技术进步的速度。然而现在这种速度已明显地降低了，因为硅材料已接近其极限，用硅制造的晶体管很难获得进一步发展的空间，而碳则在这个时候脱颖而出了。2008年4月，科学家宣布说，他们成功研制出了尺寸最小的石墨烯晶体管，其厚度仅为1个原子，截面为10个原子。尽管目前还缺乏真正以纳米精度切割材料的技术，大规模的石墨烯生产还无法进行，但仅仅如此就足以令人振奋了。人们清楚地看到，石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。在未来，我们将会看到由石墨烯构成的全碳电路，它们将被广泛应用于人们的日常生活中。

参考文献

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