石墨烯是什么做的

石墨烯是由碳原子以六角形蜂巢晶格排列构成的单层二维材料，其厚度仅为一个碳原子直径。它源自石墨的机械剥离或化学气相沉积法合成，具备超高导电性、强度和柔韧性。作为纳米材料革命的代表，石墨烯从基础原料到制备工艺均体现着材料科学的重大突破。

       碳元素的基础构成

       石墨烯的本质是纯碳原子组成的二维晶体材料。碳原子通过电子轨道杂化形成稳定六元环结构，每个碳原子与相邻三个碳原子以共价键结合，剩余电子在平面内自由移动形成大π键。这种独特的电子分布方式使得石墨烯兼具金属的导电性和半导体能带特性。

       石墨原料的层状本质

       石墨作为石墨烯的母体材料，是由多层碳原子平面通过范德华力堆叠形成的三维矿物。天然石墨需经过氧化插层处理变成氧化石墨，再通过超声剥离或热还原等方式分离出单层碳原子平面。每克高品质石墨可制备约平方米的单层石墨烯薄膜。

       机械剥离法的开创性突破

       2004年安德烈·海姆团队使用胶带反复剥离高定向热解石墨，首次获得稳定存在的单层石墨烯。这种方法虽然产量低但能获得缺陷极少的样品，为后续研究提供理想材料。该技术现改进为滚筒式机械剥离，可实现半连续化生产。

       化学气相沉积技术突破

       在金属催化剂基底（如铜箔）表面通入含碳气态前驱体，通过高温裂解使碳原子在金属表面自组装成连续薄膜。中国科学技术大学研究团队开发的卷对卷化学气相沉积设备，可实现每分钟米级石墨烯薄膜的连续制备。

       氧化还原法的规模化路径

       通过浓硫酸与高锰酸钾氧化石墨得到氧化石墨烯，再经水合肼或维生素C等还原剂处理恢复导电性。中国科学院山西煤化所开发的高效电化学还原法，将生产效率提升三倍且避免化学试剂污染。

       碳化硅外延生长技术

       在超高真空环境中高温加热碳化硅晶体，硅原子选择性升华后剩余碳原子自重组形成石墨烯层。该方法可获得与半导体工艺兼容的晶圆级单晶石墨烯，北京石墨烯研究院已实现4英寸单晶石墨烯的批量制备。

       液相剥离的产业化探索

       将石墨分散在表面活性剂溶液中，通过高压均质或超声处理使层间作用力减弱而分层。清华大学团队开发的超临界二氧化碳剥离技术，单次处理可获得超过百分之八十的单层率，且溶剂可循环使用。

       基底催化剂的关键作用

       不同金属基底对碳原子的催化活性和碳溶解度差异显著。铜箔表面碳原子难以渗透适合生长单层石墨烯，而镍箔因碳溶解度较高易形成多层结构。中国科学院金属研究所发现钌金属基底可实现石墨烯晶畴的定向拼接。

       前驱体材料的多样性

       除甲烷、乙烯等气态碳源外，浙江大学团队成功使用乙醇、聚丙烯等液态碳源制备高质量石墨烯。甚至生物质碳源如松木、纤维素等也可通过催化裂解转化为石墨烯，为低成本制备开辟新途径。

       缺陷工程的精确调控

       通过引入氮、硼等杂原子改变电子分布结构，制造特定功能的掺杂石墨烯。上海交通大学研究证实，百分之一点七氮掺杂量的石墨烯其氧还原催化活性超过商业铂碳催化剂。

       转移技术的重要突破

       针对化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜，需要从金属基底完整转移到目标衬底。厦门大学开发的电化学鼓泡法，通过界面氢气泡的轻柔推力使石墨烯与铜箔分离，完美保持晶体结构完整性。

       量子点制备的特殊工艺

       通过酸氧化切割碳纤维或碳纳米管可获得尺寸小于十纳米的石墨烯量子点。这类零维材料展现蓝色荧光效应，南京理工大学团队开发的微波水热法可实现量子点尺寸的精确控制。

       三维网状结构的构建

       通过模板法或自组装技术使石墨烯片层形成多孔网络结构。复旦大学制备的石墨烯气凝胶密度仅每立方厘米零点一六毫克，却可支撑自身重量数万倍的物体，压缩后完全回弹。

       复合材料的功能化集成

       将石墨烯与高分子材料复合可显著提升材料性能。北京化工大学开发的石墨烯增强聚氨酯纤维，强度提升百分之三百的同时保持优异弹性，已应用于航天服外层材料。

       生物相容性修饰技术

       通过聚乙二醇等功能分子修饰改善石墨烯的生物相容性。东南大学研究的叶酸修饰石墨烯可实现肿瘤靶向药物输送，动物实验显示药物富集效率提高五点七倍。

       产业化制备的质量标准

       根据中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准，商用石墨烯产品需明确标注层数、尺寸和缺陷密度等参数。单层率低于百分之十的材料只能称为"石墨烯多层片"，不能以石墨烯名义销售。

       未来制备技术发展路径

       中国科学院院士刘忠范提出的"烯碳纤维"概念，预示着石墨烯制备将从二维薄膜向三维体材料拓展。超导石墨烯、石墨烯等新型碳同素异形体的研究，可能引发新一轮材料革命。