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石墨烯是一种二文结构材料,由杂化轨道为sp2的碳原子组成的平面薄膜,其形状为蜂窝态优尔角形[2]。对石墨烯进行包裹,使之成为球形即可得到富勒烯；以一直线为轴,将石墨烯卷曲一周成没有缝隙的筒状中空结构，可以获得一文的碳纳米管；而将其平行堆叠，于是就获得了三文石墨[3]。(图1-1) 自石墨烯出现开始，因其独特的结构、优异的性能以及其应用前景十分广阔，而备受关注。石墨烯在热力学上具有稳定的结构，常温下其导热率约为5000W／mK，相当于金刚石导热率的三倍[4],铜的十倍多，是所有已知材料中最高的。其二文晶体结构十分完美，电子运动速度在石墨烯中接近光速的1/300[5,6]，凌驾于在其他导体中的电子速度。此外，在室温下石墨烯还表现出了双极性电场效应[7]以及半整数量子霍尔效应[6,8]。石墨烯目前的研究方向包括用作燃料电池的电极[9,10]以提高锂离子电池的储电能力[11]以及作为传感器的材料[12,13,14]等。
1.1.1 石墨烯的制备
1.1.1.1 机械剥离法
2004年曼彻斯特大学的德烈∙海姆等人，在Science上发表了他们的研究成果。他们通过通过物理剥离方法制备出了最大宽度10μm的石墨烯片[7]。(图1-2)方法主要是在热解石墨(HOPG)的表面上，通过氧等离子束进行刻蚀，蚀刻出一个20μm-2mm宽，5μm深的槽面。在SiO2/Si基底上附上光致抗蚀剂后将蚀刻过的HOPG上压制上去，焙烧。用透明胶带对焙烧后的样品反复进行剥离，以去除多余的石墨片，再用丙酮浸泡Si晶片上剥离后余下的石墨薄片，为了去除较厚的石墨片层还要在大量的水和丙酮中进行超声振荡，最后获得厚度不到10nm的石墨薄片。余下的这些石墨薄片或凭借范德华力或凭借毛细作用力和SiO2结合。最后使用原子力显微镜，挑出仅数个单原子层厚度的石墨烯片，但是通过这种方法不但产率低而且也很难获得只有单原子层厚度的石墨烯薄片，因此并不适用于大规模生产。
在对该方法进行进一步改进之后成为了制备石墨烯的重要方法之一，Noveselov等采用这种方法成功的制备出了可独立存在的单层石墨烯[15]。而Mayer等人通过酸腐蚀方式，将置于金属架上的压片的Si晶片部分腐蚀，仅把单层石墨烯留在金属架上，以此制备出了单层石墨烯。经研究后发现，单层石墨烯在平面上具有约5-10nm的褶皱而非一个平整的平面[16]。Schleberger等在此方法的基础上采用其他的绝缘晶体做为基底(如SrTiO3,TiO2等)，代替SiO2基底。所制取的单层石墨烯的厚度仅有0.34nm[17]。
机械剥离法制备石墨烯示意图[15]
1.1.1.2 化学气相沉积法
化学气相沉积(CVD)是一种可控且行之有效的石墨烯制备方法，CVD法的原理是通过将高温下会受热分解的前驱体(例如乙烯、甲烷等)在高温下分解，然后通过退火使碳原子沉积在下方的基底(如金属单晶、金属薄膜等)上从而制备出石墨烯，最后通过化学腐蚀将下方的基板腐蚀获得单独的石墨烯片。应用这种制备工艺，已经可以成功制取平方厘米级的单层或多层石墨烯片[18](图1-3)。
CVD法已成功的在Ru(0001)[19],Pt(111)[20],Ir(111)[21]等金属基底表面制备了石墨烯。最近，Kong[22]和Kim[23] 科研小组分别使用CVD法，于多晶Ni薄膜上制取的石墨烯达到厘米数量级，而Ruoff研究组[24]在Cu箔基底表面上采用CVD法成功地制备了大面积、高质量的石墨烯，而且主要为单层结构。
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