石墨烯的精细结构研究取得进展

申盼盼

(河南理工大学材料科学与工程学院，河南 焦作 454150)

引言

随着人们对石墨烯的精细结构研究的不断深入，制备技术、转移技术和应用技术的不断改进和创新，石墨烯一定会带来革命性的产业突破。

1 石墨烯的概述

完美石墨烯薄膜拥有很多优点，例如，导电性能高、柔韧性能高、透光性能高、机械强度高、阻隔性能高、化学稳定性较高、超薄等，预计其在电子行业、光子行业、能源行业、环保行业还有生物医疗等行业会拥有更好的发展空间。因为腐蚀的问题会使得房屋、设施、构造部件、桥梁道路等遭到破坏而失去效果，进而为我们的生活工作造成严重的损失。一般会将石墨和膨胀石墨当作原材料，采用机器剥离方式、化学气相沉积的方式、外延生长方式和氧化还原的方式来制作石墨烯。石墨烯不但可以单独当作防腐层，还能够融合近涂镀层内，用以更好的提升其防腐蚀的程度。当前，市面中对于石墨烯的重点运用在于石墨烯富锌底漆防腐和石墨烯有机复合涂料方面，其被运用到船只、桥梁、管道设备、器材设施还有输电铁塔等金属表层的防腐保护。石墨烯能够在金属防腐方面施展巨大的作用，基于此，笔者对于石墨烯在以往涂镀层技术的渗入和提升进行整体的概括、解析和总结，希望能够推动石墨烯在金属涂镀方面的运用与现代涂镀层技术方面的运用与发展。

2 石墨烯研究的现状

以下会从两点上来分析目前石墨烯和硅烯研究的情况。第一，石墨烯所有的原子都有四个键，邻近原子之间的原子轨道的sp2杂化后构成三个σ键，因为泡利原理的作用，σ可以带为满壳层，构成深价带。而没有遭受干扰的sp2轨道，会垂直在石墨烯平面上，将共价键的形式和邻近原子耦合，构成π能带。因为每个π轨道都有一个另外的电子，所以说π能带就是半满带。因为π电子能够在石墨烯内自由活动，因此石墨烯拥有很强的导电性能。石墨烯内的碳原子呈现密切堆积的状态，并且临近原子之间的sp2轨道杂化，所以石墨烯又拥有较高的安稳性。石墨烯内临近原子的键长是0.142nm，键和键之间的夹角是120°，石墨烯是晶体构造的。在石墨烯的导带底与价带顶间存在着非常小的能量重叠，也就是零带隙，在动量空间中此重合点被称作狄拉克点，有两个不等效的狄拉克点，一个被记成K点，一个被记成K′点。石墨烯因为有较为特别的电子结构，因此使其具备优质的电学特点。在大部分状况下石墨烯的载流子迁移率能够到达2×105cm2/(V·S)，并且不会因为温度的改变产生太大的变化。石墨烯在力学特点上以非常具有特性，拥有较强的韧性与强度，其在理论杨氏模量上能够到达1.01TPa，其拉伸的程度可以到达130GPa。石墨烯还具备优质的导热性能，纯度较高的单层石墨烯导热能力能够到达5300W/mK。此外，石墨烯和光还能进行相互影响，石墨烯在吸取了光子以后，价带中的电子会被刺激到导带中，形成能带跃迁的现象。第二，硅烯属于是单独剥离出来的，其在自然环境中是没有的，也就是根本不存在接近石墨的固体硅类。硅烯无法像石墨烯一样运用剥离的方式形成单层的物理构造。所以，需要研究更加繁杂的方式来合成或者生成硅烯。部分金属无法和硅原子产生较强的相互作用，更无法和硅构成化合物，这时有个方式就是在此金属表层沉积硅，来进行人为的制造硅烯。目前已经有人运用Ag表层来生长硅烯纳米带了。

3 石墨烯的精细结构研究取得进展

3.1 非常规原子结构

没有支撑的石墨烯碳原子用sp2杂化轨道构成周期是2.5埃的六元环平面蜂窝形的构造，一般这一构造会被视为石墨烯唯一的原子级周期构造，而且其影响着石墨烯的物理性质和化学性质。最近，此研究队伍宣布了一项全新的研究成果：运用分辨率较高的显微镜(AFM)与扫描隧道显微镜(STM)查看到机器剥离后的石墨烯在不同源基底上能够自主的构成周期是5埃的斜方晶构造，这一全新的原子级构造能够经过人力的增加电场操控来形成。重点就在于能够运用调节成像力来完成石墨烯5埃斜方晶结构和本征的2.5埃六元环结构间的接连不断的可逆性转变。通过第一性原理的核算说明，此类不寻常的构造可归结于石墨烯表层与基底间的偶极子，这个偶极子形成界面电场，并且使得石墨烯表层中的碳原子更新排列方式。如果对其进行运用，通过试验说明此斜方晶格能够抑制淀粉样蛋白的外延自组装想象。

3.2 石墨烯基薄膜

石墨烯基薄膜重点被分成两种，一种是多孔石墨烯薄膜，一种是层状氧化石墨烯薄膜。其中的多孔石墨烯薄膜通常是单层的或者多层的碳原子厚度，因为薄膜面中存在缺陷构成了多孔的构造。制作多孔石墨烯薄膜的方式有：电子束刻蚀方式、离子轰击方式、紫外线诱导氧化方式等，孔的直径可以低到纳米级别，甚至是埃米级别。像层状氧化石墨烯薄膜通常是氧化石墨烯分散液通过旋转喷射涂抹和真空抽滤两种方式制作而成的，氧化石墨烯片层层自组合构成有秩序的层状构造。另外，AndreGeim教授的科研队伍还研究出了通过二维晶体材料组合构成纳米通道的新型方式。此方式就好比用搭积木的方式把各种尺寸的二维晶体堆积形成纳米通道。此通道的大小能够调节在0.34nm，其为目前通过实验室能够制作成的最小的纳米通道，也是埃米通道。通过试验说明，除去质子与水分子外，一切离子均无法实现渗透和穿过。石墨烯基薄膜属于全新的过滤材料，在脱盐方面能够施展出无法代替的功能和优势。最近石墨烯基薄膜(包含层状氧化石墨烯薄膜与多孔石墨烯薄膜)脱盐机理的研究情况。因为受到材料纳米特性程度的抑制，分子之间的互相影响是非常关键的，所以，脱盐机理的探究重点依靠着核算模拟方式。探究的情况包含尺寸排阻、粒子和通道边缘静电互相影响和粒子在石墨烯表层的吸附能力等。虽然石墨烯基薄膜在脱盐机理中的探究已经获得了一些进步，但仍然存在较多需要排除的问题。比如，金属配位作用和石墨烯表面阳离子-π键作用等，均要进行理论方面的研究与说明，像水分子和离子间相互影响的研究成果也有待完善等等。

3.3 石墨烯有机涂料

石墨烯属于纳米型材料，将其融入有机涂料内能够增强聚合物的吸附能力、防腐能力、力学性能等等，其属于当前改性涂料的热门研究，制作方式重点包含：原位聚合方式、熔融共混方式和溶液共混方式等。

结束语

综上所述，石墨烯优良的综合性能，分析出非常规原子结构、它在防腐领域、烯基薄膜的发展势头较好，同时石墨烯相关技术填补了国内领域的技术空缺，推动我国新型工业生产化进程。