成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域近年來的研究熱點(diǎn)。
最近，中科院金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材
料研究部成會明、任文才帶領(lǐng)研究生在石墨烯的控制制備、結(jié)構(gòu)表征
與物性的研究方面取得了一系列新的進(jìn)展，主要包括：
（一）
可控制備出高質(zhì)量石墨烯。根據(jù)層數(shù)不同，石墨烯的電子
結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化，因此實(shí)現(xiàn)石墨烯層數(shù)的可控制備十分關(guān)鍵。與
微機(jī)械剝離和外延生長方法相比，化學(xué)剝離是一種有望實(shí)現(xiàn)石墨烯低
成本宏量制備的有效方法，但所制備的石墨烯大多為單層、雙層和多
層石墨烯的混合物。基于對化學(xué)剝離方法制備石墨烯過程的分析，他
們提出了利用石墨原料的尺寸與結(jié)晶度不同來控制石墨烯層數(shù)的策略
，宏量控制制備出單層、雙層和三層占優(yōu)的高質(zhì)量石墨烯（圖1，《
Carbon》47 ( 2009) 493），被審稿人認(rèn)為是“石墨烯研究和應(yīng)用的重
大進(jìn)展”。為了進(jìn)一步提高化學(xué)剝離方法制備的石墨烯的質(zhì)量，他們
根據(jù)氫電弧放電反應(yīng)溫度高、可實(shí)現(xiàn)快速加熱及原位還原的特點(diǎn)，采
用電弧加熱膨脹解理石墨以去除含氧官能團(tuán)和愈合結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而提
高了石墨烯的質(zhì)量。較普通快速加熱方法，采用氫電弧方法制備的石
墨烯的抗氧化溫度提高了近100 C，導(dǎo)電率提高了近2個數(shù)量級
，可達(dá)2*
103S
/cm（ACS Nano 3 (2009) 411-417）。
（二）
提出了表征石墨烯結(jié)構(gòu)的新方法。石墨烯表征方法的建立
是對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速有效表征、控制制備及應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。他們
在反射率計算的基礎(chǔ)上，引入色度學(xué)空間概念，提出了快速、準(zhǔn)確、
無損表征石墨烯層數(shù)的總色差方法，解釋了只有在特定基底上石墨烯
可見的原因，并利用該方法對基底和光源進(jìn)行了優(yōu)化，提出并實(shí)驗(yàn)證
實(shí)了更利于石墨烯光學(xué)表征的基底和光源，提高了光學(xué)表征的精度，
為石墨烯層數(shù)的快速準(zhǔn)確表征、控制制備及物性研究奠定了基礎(chǔ)（圖
2，ACS Nano 2 (2008) 1625-1633）。論文發(fā)表后被《ACS Nano》雜志選為該期“亮點(diǎn)”進(jìn)行了重點(diǎn)介紹；同時也被《Nature China》選為來自中國大陸和香港的突出科研成果，Vicki Cl
eave博士撰文寫道：“來自中國科學(xué)院的任文才、成會明及其合
作者提出了一種快速、無損、可進(jìn)行大面積石墨烯表征的光學(xué)方法，
該工作有助于確定和制備適于應(yīng)用的理想石墨烯樣品”。此外，針對
目前石墨烯拉曼光譜信號弱、難以對其精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征的難題，他
們還發(fā)明了一種增強(qiáng)的拉曼散射技術(shù)，不僅可提高石墨烯拉曼光譜的
信號強(qiáng)度，而且可獲得普通拉曼光譜不能得到的石墨烯的精細(xì)結(jié)構(gòu)特
征。
（三）
開展了石墨烯的應(yīng)用探索。在石墨烯宏量制備的基礎(chǔ)上，
他們開展了石墨烯在場發(fā)射體、超級電容器、鋰離子電池和透明導(dǎo)電
膜等方面的應(yīng)用探索。由于具有單原子厚度、優(yōu)異的電學(xué)與力學(xué)特性
以及豐富的邊界結(jié)構(gòu)等特征，故石墨烯是一種理想的場發(fā)射材料，但
石墨烯宏量制備和組裝技術(shù)的缺乏制約了其在場發(fā)射方面的應(yīng)用。為
了充分發(fā)揮石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢，他們發(fā)展了電泳沉積方法制備
出表面均勻致密且含有豐富邊界突起的單層石墨烯薄膜，實(shí)現(xiàn)了薄膜
與基體間的良好接觸。研究表明，石墨烯薄膜具有與碳納米管薄膜相
比擬的場發(fā)射特性：低的開啟電場和閾值、良好的場發(fā)射穩(wěn)定性和均
勻性，展示了石墨烯在平板顯示等方面的應(yīng)用前景（圖3，Advanced Materials 21 (2009): DOI: 10.1002
/adma.200802560, online）。審稿人認(rèn)為“作者實(shí)驗(yàn)證實(shí)了石墨烯單原子厚度的邊界可有
效增強(qiáng)電場、降低場發(fā)射開啟電場，是一項(xiàng)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)”。他們
還結(jié)合石墨烯紙易于制備且具有良好力學(xué)性能的特點(diǎn)，正全力拓展其
應(yīng)用空間。
這些工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科
學(xué)院的資助。
圖1 石墨烯的層數(shù)可控制備
圖2 石墨烯的總色差表征方法
圖3 單層石墨烯薄膜的場發(fā)射性能
