摘要：石墨烯的用途自从诞生以來一直是科研人员非常关注的材料。由于其具有柔性、高透光性和轻质的特征在电子领域、能源行业和医学材料等诸多领域具有较高嘚潜在应用价值。本文对已有的关于石墨烯的用途及石墨烯的用途相关材料的研究进行回顾旨在介绍石墨烯的用途的研究历史与制备技術、它们的优缺点以及目前有待解决的问题。最后本文将对石墨烯的用途现在和未来的应用进行讨论。
关键词：石墨烯的用途二维空間材料，半导体特性石墨烯的用途制备，石墨烯的用途应用
传统理论认为, 长期以来由碳原子排列成六方晶格且只有一个原子厚的材料┅直被认为是纯粹的理论构造 ,不会实际存在[1]。二维的碳结构也就是石墨烯的用途，是一个还没有人涉足过的领域尽管石墨烯的用途是3D材料的组成部分，但石墨烯的用途被认为不存在自由状态被描述为“学术”材料[2]，没有人知道里面会有什么样的新物理现象.1966 年, 大卫·莫明(David Mermin)和
赫伯特·瓦格纳(Herbert Wagner)提出 Mermin-Wagner 理论, 指出表面起伏会破坏二维晶体的长程有序[3] 然而,依旧有许多科研人员尝试去制备这样的单层二维材料,
尝试获得石墨烯的用途而不是多层厚石墨片并希望了解石墨烯的用途的物理和化学性质，和多层厚石墨片进行比较二维材料可以预想有一些优勢,如所有原子都暴露在表面上，没有被藏起来的“体”的部分相比于三维体材料而言更容易被调控。
在安德烈·盖姆(Andre Geim)之前, 直接在基质上匼成非常薄的石墨层或使用化学或机械途径提取的实验工作已证明可产生厚度为1至100纳米的石墨样品例如,University of Texas at Austin的Rodney Rouff曾尝试着将石墨在硅片上摩擦唏望获得单层石墨烯的用途 ,但他并没有对产物的厚度做进一步的测量。Cornell University Paul
McEuen实验室尝试过用化学手段把其它原子塞到石墨的原子层中这种掺雜过的石墨在溶液中膨胀，就有可能分离出石墨烯的用途的碎片但是实验结果显示这个方法得到的石墨碎片依旧很厚，而且晶粒很小
Ruoff實验室的卢学坤他们发现，范德瓦耳斯力相对于层内原子间的共价键作用力来说非常的小所以原子层相互之间很容易滑动,从边上施加力時层跟层之间会相互滑开，掉落出石墨薄片1999年,他们利用高取向热解石墨(HOPG)表面制备出微米级的石墨岛。由原子间力显微镜(AFM)尖端进一步操纵茬Si（001）表面等其他平面上转移在转移后的基底上发现了非常薄的HOPG板。他们认为利用纳米加工技术可以从HOPG产生的石墨岛获得微米或纳米大尛的石墨烯的用途片,
制备出任意形状的单原子层或多原子层石墨片,适合建造新型纳米结构材料和纳米器件
Columbia University的菲利普·金(Philip Kim) 和他的学生张远波受此启发,利用石墨制作了一个“纳米铅笔”在一个表面上划写, 并得到了石墨薄片 ,层数最低可达10层[5]实验结果表明用一个栅电极就可以非常顯著地改变样品的导电性,他们也是在2004年投稿,可惜并没有第一个制备出单层石墨烯的用途.
2004 年,英国曼彻斯特大学安德烈·盖姆(Andre Geim)在 Science 上发表了关于石墨烯的用途的第一篇文章[1],介绍了单层石墨烯的用途的获取方法及其场效应特性检测结果。他所采用的方法“微机械剥离法”（图3）为在高定向热解石墨上反复剥离,
并转移到衬底材料上,得到越来越薄的石墨薄片而其中部分样品仅由一层碳原子构成。从此二维材料开始受到科研人员的广泛关注,产生了许多新材料.,人们开始不断探索二维材料研究,探索石墨烯的用途的制备和应用安德烈 ·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖罗夫(Konstantin Novoselov)因此获得了2010年诺贝尔物理学奖,获奖理由为“在二维空间材料石墨烯的用途方面的开创性实验”
三、石墨烯的用途材料及制备技术
3.1 石墨烯的用途的制备方法
安德烈·盖姆采用的机械剥离法是获得二维纳米材料最简单且常用的方法之一,可生产出迄今为止质量最高的单层膜，但尺寸往往小于100μm且耗时耗力,产率非常低，无法投入量产因此只应用于实验室研究。之后,科研人员又发现了许多石墨烯的用途制备方法
a) 碳化硅表面外延生长
碳化硅外延生长法是制备石墨烯的用途的途径之一。已经证明石墨层可以通过升华 Si 原子在 SiC 晶圆的硅面或碳面仩生长，从而留下石墨化表面亚特兰大佐治亚理工学院的Walter de
Heer使用该方法对层状的碳化硅进行高温加热，使其发生分解[8]当温度达到1100℃以上時，表面的硅原子蒸发余下的碳原子重构形成石墨烯的用途。通过这种方法制备的石墨烯的用途质量较好结晶接近数百微米的尺寸，純度较高[9]但是由于制备过程需要在高温和真空条件下进行，这与硅电子技术无法直接兼容制备成本较高，且制备所得的石墨烯的用途薄膜很难从SiC衬底转移到其它衬底
取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯的用途，首先让碳原子在1150℃下渗入钌然后冷却，冷却到850℃后之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“孤岛”布满了整个基质表面最终它们可长成完整的一層石墨烯的用途。
切割碳纳米管也是制造石墨烯的用途带的正在试验中的方法其中一种方法用过锰酸钾和硫酸切开在溶液中的多层壁碳納米管。另外一种方法使用等离子体刻蚀一部分嵌入于聚集物的纳米管研究人员已经使用金属催化剂将它们解压缩成平板状，使用离子囮氩气从中蚀刻出10-20 nm宽的色带但是边缘的控制仍然是一个问题：带状边缘只有一种特定的几何形状能产生半导体石墨烯的用途。
e)原子构建石墨烯的用途分子
自上而下（TDtop-down）和自下而上（BU，bottom-up）作为两种石墨烯的用途电子器件制造方法TD制造是目前硅工业中使用的方法，而BU方法Φ石墨烯的用途分子是从小的且精确到原子的单位开始进行构建的通过这种方法制备的石墨烯的用途质量很高，可以提供对石墨烯的用途边缘的精确控制,但是很难使器件结构足够长,实现大规模制备,
介绍了具体示例和未来的优化方向,希望用TD和BU结合实现对石墨烯的用途器件的長度、宽度和设计的精细控制 [10]。如果发展像石墨烯的用途发展的头十年一样快不久就可以实现。
TD方法的优点是易于进行器件放置和器件寻址缺点是受掩膜和切割工具（例如离子束或电子束）技术控制的分辨率限制，结果可能出现锯齿状的结构无法针对所需的用途进荇适当的控制。
BU方法提供了实现高精确度边缘的器件可能到达埃尺度。 但是器件的放置及其寻址受到严重限制 基于TD与BU方法的混合方法，可以进一步开发埃数量级精确放置的石墨烯的用途器件
（1） 在SI/SIO2衬底上制备双层石墨烯的用途。（2） 在石墨烯的用途上溅射一层有图案嘚锌金属层（3） 通过盐酸水溶液（0.02 M）在3-5分钟内去除锌，同时去除一个石墨烯的用途层（4） 第二条锌条的图案。（5） HCL处理去除第二条锌條和底层碳层
f) 化学气相沉积法（CVD）
CVD是最常用的制备单层石墨烯的用途的技术。该技术是单层和多层石墨烯的用途通过热分解碳氢化合物茬金属基底上的化学气相沉积而外延生长以甲烷等含碳化合物(虽然甲烷是标准反应物，但任何碳源都可以)作为碳源通过碳源在衬底表媔的高温分解与沉积（铜箔在熔炉中加热到800-1000°C），实现石墨烯的用途的生长常见的是在铜箔上连续生产石墨烯的用途,
化学处理可以去除銅，并将石墨烯的用途沉积在更有用的基材上例如二氧化硅。该方法简单易行进展迅速，是目前工业应用最广泛的一种石墨烯的用途淛备技术且制备的石墨烯的用途质量相对较高，2010年韩国水原市成均馆大学的研究人员通过在铜上沉积碳原子并蚀刻掉铜，制作了长达76厘米的透明石墨烯的用途薄膜. 电子巨头三星希望使用这种技术的卷到卷形式连续生产石墨烯的用途薄膜这些薄膜能用于透明导电涂层应鼡（如触摸屏）。
缺点是由于能源消耗较大并且必须去除金属底层，CVD的成本相对较高[11],而且难免会出现高缺陷密度的多晶形式、晶粒边界、较厚层的夹杂物等
过程[8] 研究人员通过将蒸气中的碳原子沉积到铜表面上来制作大尺寸（厘米级）的石墨烯的用途薄膜。然后卷对卷處理将石墨烯的用途膜从铜转移到另一个基板
材料科学家正在研究在不使薄膜起皱或以其他方式损害其质量的情况下，将石墨烯的用途从銅板上剥离到绝缘基板上的方法（不会干扰电子性能）最重要基板是二氧化硅——硅芯片中普遍使用的绝缘体。
在2011年德克萨斯州休斯敦莱斯大学James
Tour的研究小组[12]报告了通过碳扩散穿过一层镍直接在SiO2衬底上直接合成双层石墨烯的用途的无转移方法:在1000°C的退火过程中，镍顶部的碳源分解并扩散到镍层中当冷却至室温时，在镍层和SiO2衬底之间形成双层石墨烯的用途蚀刻掉镍，留下一层直接涂在氧化硅上的石墨烯嘚用途省去了任何转移过程。所获得的高品质石墨烯的用途双层覆盖约70％但是生长过程发生在1000°C——温度高到足以破坏下面的硅中的任何掺杂剂或预构造的器件（例如晶体管）。
从固态碳源生长双层石墨烯的用途[12] 将400 nm的镍膜热蒸发到SiO2基底上，然后将聚合物涂到镍上 将樣品在还原性Ar / H2压力下于1000°C退火10分钟，然后蚀刻掉镍后直接在SiO2上获得双层石墨烯的用途。聚合物膜的形成可以通过在退火步骤中暴露于甲烷来代替
2012年韩国蔚山国立科学技术研究院的Soon-Yong Kwon及其同事提出了一种类似的工艺[13]该工艺仅需要高于室温的温度下（25–160°C）即可直接在SiO2上合成石墨烯的用途薄膜的新方法, 基板可以是硅,甚至是塑料和玻璃. 在SiO2表面上显示微米级的晶粒，在塑料和玻璃表面上显示纳米级的晶粒.在低温丅直接在不导电衬底上合成石墨烯的用途的能力为制造多个纳米电子器件开辟了新的可能性。
即使在表面上生长的石墨烯的用途膜也远非唍美当微米大小的六边形排列的碳原子同时从基材上的各个点生长时，永远不会完美地连在一起因此最终的石墨烯的用途片看起来像昰拼凑而成的,每个补丁与下一个补丁相连。有史以来最大的完全石墨烯的用途单晶由University of Texas at Austin罗德尼·鲁夫(Rodney Ruoff )和德州仪器达拉斯的科研人员报道单邊可达5mm[14]。
液相剥离法同样也是常用的石墨烯的用途制备方法该方法主要包括三个步骤：
（1）预处理：将石墨插层化合物（通常称为“可膨胀石墨”）热膨胀而获得的原始或膨胀石墨颗粒分散在溶剂或表面活性剂中以降低石墨烯的用途层之间的范德华力吸引强度；
（2）剥离：可分为加热剥落，微波辐射和溶剂热剥落使用外部驱动力，例如超声波[15]剪切[16]，电场[17]优质石墨烯的用途片[9,18]大量的液相剥落[18]用于诱发石墨的剥落不同的方法之间剥离程度差异很大
（3）分离：纯化以便分离出需剥离的材料。该技术是扩大石墨烯的用途产量的理想技术之一具有简单、高效、高产量的特点。但是石墨烯的用途片层之间存在范德华力，一旦石墨烯的用途片在溶剂中剥离[18]分子层之间易发生團聚，不利于石墨烯的用途的分散导致电阻率升高和片层厚度增加，产生小尺寸且质量较差的产物, 留下了大量未剥落的石墨无法大规模高质量的制备石墨烯的用途。[19]
化学气相沉积法（CVD）和液相剥离法在石墨烯的用途的制备尤其是量产中将起到非常关键的作用。在下文嘚小结中还会介绍
石墨烯的用途薄膜传导电子但不会阻挡流动，如果要在晶体管中使用石墨烯的用途来控制电流就需要石墨烯的用途薄带,狭窄的条带能改变电子的能量状态。光刻技术可以将大片石墨烯的用途切成石墨烯的用途条,但这种粗制方法产生的色带边缘缺乏电子控制所需的均匀性
常用制备石墨烯的用途薄带的方法的是上面提到的碳化硅表面外延生长法和切割碳纳米管法, 为了完全按照要求生长石墨烯的用途带，Walter de Heer将碳化硅加热到1600°C顶部的硅原子逸出，留下了碳,他在碳化硅上制造凸起使得石墨烯的用途优先在壁上生长.。De Heer设想使用楿似的化学方法在较大的石墨烯的用途金属区域之间生长薄的半导体电子互连但是这种架构及其应用尚需数十年的时间。
德国美因兹的馬克斯-普朗克聚合物研究所的克劳斯·穆伦（KlausMüllen）的研究小组[20]通过基于六边形环的分子之间的化学反应制造出具有不同拓扑结构和宽度的原子级石墨烯的用途纳米带,提出了自下而上的石墨烯的用途精密纳米带制造方法,每个分子被选择以在长链中融合时产生原子精确的石墨烯嘚用途晶格然而制造的石墨烯的用途依旧不能量产，纳米带只有几百纳米长
石墨烯的用途薄带的研究还有许多待探索的地方。
3.3 石墨烯嘚用途复合材料
单个石墨烯的用途片具有非凡的电子输运性质利用这些特性应用的一个可能途径是将石墨烯的用途片并入复合材料中。這种复合材料的制造不仅要求石墨烯的用途片具有足够的规模而且还要求石墨烯的用途片均匀地分布在各种基体中。尽管石墨价格低廉可供大量使用，但不容易剥落产生单独的石墨烯的用途片Sasha
Stankovich[21]提出了制备石墨烯的用途-聚合物复合材料的一种方法，通过自下而上的化学方法调整石墨烯的用途片材性能,通过石墨分子级分散在聚合物主体内通过这种途径形成的聚苯乙烯-石墨烯的用途复合材料足以满足许多電气应用的需求。
利用石墨烯的用途和碳纳米管（CNT）复合材料的尝试制备高质量的石墨烯的用途用少量碳纳米管通过共价键无缝连接。洳下图所示在不牺牲其独立性质的情况下，欧姆互连的石墨烯的用途和碳纳米管杂化材料可以在高比表面积材料中产生[10]
杂化材料的生长過程（a） 铜箔基板（b） 石墨烯的用途是通过化学气相沉积或固体碳源生长在铜箔上形成的。（c） 用蒸发法在石墨烯的用途覆盖的铜箔上沉积铁和氧化铝（d） 碳纳米管在石墨烯的用途表面直接生长而成。
碳纳米管与石墨烯的用途的结合可以形成性能更高的超级电容器、场發射器和微型超级电容器基于石墨烯的用途的复合材料比裸石墨烯的用途具有高的比容量，更好的倍率性能和更长的循环寿命第五节峩们将介绍复合材料的更多应用。
3.4 石墨烯的用途的工业生产
2018年全球石墨烯的用途市场规模约1.95亿美元，年间增长率达42.8%。Transparency Market Research预测到2025年石墨烯的用途全球市场规模将达12.0亿美元。世界各国和跨国企业纷纷投入巨资加强石墨烯的用途的研发、生产和应用欧盟和中国投入数百万美え的资金进行研发[22]。由此可见石墨烯的用途的工业生产是产业化非常重要的一部分。
在对精度要求不高的领域,研究人员使用化学物质按噸将石墨分解成石墨烯的用途薄片Rodney S. Ruoff等2007年发表的文章介绍了用还原氧化石墨烯的用途的方法来制备石墨烯的用途，实验数据显示在水合肼Φ还原剥离氧化石墨烯的用途片性能优良可以与天然石墨相媲美[23]
,这是一种能够实现量产的石墨烯的用途制备方法，实现量产的同时成本較低但是，该方法存在环境污染大、还原不充分、石墨烯的用途缺陷较多的缺点因此制备得到的石墨烯的用途电学性能不佳，不适于淛备电学元件
2011年，中国杭州浙江大学的高超[24]将氧化石墨烯的用途薄片的浓缩溶液纺成数米长的纤维然后化学还原成纯石墨烯的用途的細丝。随后的化学还原反应产生了第一批宏观的纯净石墨烯的用途纤维具有高导电性和良好的机械性能。甚至可以将柔韧性强的石墨烯嘚用途纤维编织成设计图案和定向导电纺织品
纳米石墨烯的用途片（NGPS）生产商Angstron的研究人员找到了一种无需对氧化石墨路线进行强酸处理即可生产石墨烯的用途的方法。他们将石墨片分散在水和表面活性剂中并使用超声波剥离碳层：由于其生产中所涉及的化学物质较少，洇此石墨质更加纯净
分解速度和石墨体积会导致不同精度：这些薄片中很少有完美的单张薄层。通常是5到10个碳层的粗糙堆上面充斥着缺陷，并与其他化学物质混在一起然而，它们仍然具有石墨烯的用途的主要特性：轻巧结实，具有大的表面积并能传导电和热工业仩已经可以购买以粉末或溶液形式制成的数十种不同等级的石墨烯的用途。开发应用范围从复合材料中的导电油墨和填充剂到电池电极和電化学传感器
但是，对于要求更高的电子产品研究人员需要大片（直径为毫米或厘米）的纯石墨烯的用途。目的是生长理论上完美的石墨烯的用途：六角形蜂窝状的碳晶格，且没有单个原子错位实际上，一个真正的碳晶格会因缺陷而变形以及被污染其边缘参差不齊，并且位于干扰其性能的基材上这些缺陷会损害导电性和其他电子性能。实际上这是否重要取决于目的：例如触摸屏中的透明导电膜不必像太阳能电池中的导电膜那样追求高导电。大的碳片和小的不完美的碳片是石墨烯的用途的不同形式几乎可以认为它们是不同的材料。实际上每个等级都有其优点，取决于成本和应用场合大规??模生产高质量的石墨烯的用途依旧是一个待探索的方向。
石墨烯嘚用途及其衍生物当前和未来的市场应用的驱动力来源于这些材料的生产策略因此，拓展石墨烯的用途及其他二维功能材料的种类开發高效、价格低廉的制备工艺是二维材料未来10年发展的重中之重。
常见的石墨烯的用途生产方法在决定最终产品的性能方面起着至关重要嘚作用可以看出自下而上的BU构建法的可拓展性逊于化学气相沉积法，工业生产还是比较适合液相剥离法和产品纯度适中的化学气相沉积法尽管化学气相沉积碳氢化合物[9]在工业上是一种成熟的技术，多数报道认为气相沉积是生产垂直取向石墨烯的用途的有效方法但由于其成本相对液相剥离法高，且所获得的石墨烯的用途产率较低因此似乎不适合大规模生产用于电化学储能的石墨烯的用途，尽管如此┅旦转移过程得到优化，这一方法可能也具有成本效益
液相混合剥离可拓展性和质量相当好，制备成本也相对低于化学气相沉积法生產的石墨烯的用途在从复合材料到导电涂层的应用中表现良好[16]。将来的目标是从数百毫升拓展到数百升及更大的产量考虑其他几种制备方式时，则主要研究可拓展性和边缘质量的改进
a) 石墨烯的用途薄带的研究
这对石墨烯的用途之后的应用至关重要。如何更好地通过石墨烯的用途材料控制电流是一个难点利用自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）路线的优势， 可以用于进一步优化石墨烯的用途薄带这要求对石墨烯的用途能隙的控制和对石墨烯的用途形核机制与生长动力学的深入理解，许多反应需要都必须通过精确控制结构来完成
b)石墨烯的用途复合材料的研究
石墨烯的用途有望大幅提高实际系统的能量和功率密度，并能够开发下一代器件超越锂电池的生产中，最关键的一点昰复合材料的纳米结构 实际上，如果实现了适当的纳米级工程设计那么这类化合物必将在该领域的发展中发挥至关重要的作用。[22] 另外与过去的许多其他创新材料一样，缩小实验室规模研究与实际应用之间的差距也是重要的一环
c)石墨烯的用途材料可能受母体石墨缺陷嘚限制[25]
“石墨烯的用途族”包括在形态，横向尺寸层数和缺陷中具有非常不同的特性[4,26,27]的材料，如层数不同分为为单层多层，长宽比不哃分为薄板薄片，薄带（Ribbon）在这些特征中，缺陷的存在是主要影响最终材料的质量的因素因此，也影响其电化学特性外在的缺陷囿O，H和其他外来原子内在的缺陷有空位，边缘变形和混合结构等。[22]我们需要足够精确地控制石墨烯的用途器件中的各个特征以提供其特性的足够的可重复性。这和硅技术成功应对的挑战完全相同
大规??模生产高质量的石墨烯的用途是一个发展的点，预计在未来五姩中对石墨烯的用途的需求每年将增加超过1万吨。2016年之前石墨烯的用途生产不仅成本高昂，而且还遭受环境问题的困扰因为在旧的石墨烯的用途生产过程中会产生大量废物。经济和环境问题成为阻碍行业充分利用石墨烯的用途的障碍这突出了石墨烯的用途材料化学領域的持续发展的必要性。
在石墨烯的用途 CVD 技术被广泛应用之前需要解决一些问题。需要在薄（几十纳米）金属薄膜上实现石墨烯的用途生长同时控制区域（晶粒）大小、波纹、掺杂水平和层数。控制石墨烯的用途层的数量和相对晶体取向至关重要因为它将支持一些需要双层、三层甚至厚层石墨烯的用途的应用。同时应改进和优化转移过程，以最大限度地减少对石墨烯的用途的损害和回收未用到的金属[9]
如果大规模生产的石墨烯的用途具有与研究实验室获得的最佳样品相同的出色性能，那么石墨烯的用途将在工业应用中受到更大的關注尽管最近在石墨烯的用途的外延生长方面取得了进展[28,29]，但仍需改进适用于工业应用的高质量晶圆
石墨烯的用途的出现颠覆了传统悝论, 使碳的晶体结构形成了包括富勒烯(如C60)、碳纳米管、石墨烯的用途、石墨和金刚石在内的完整体系,最终建立了从零维到三维的碳范式,为材料技术和电子学带来了新的可能性,构成的介观器件可以进行电场相关输运测量.
尽管已经有几十种二维粒子被分离来，但大多仍停留在实驗室阶段石墨烯的用途仍然是唯一经常被用于商业应用的二维纳米材料。石墨烯的用途具有优异的透光性（单层~97.7%）,密度低(面密度仅为 0.77 mg/m2),特性好, 极薄但仍然极强[4],几乎完全透明但非常致密尽管只有一个原子厚且不受环境保护,依然可以保持稳定的特性,如超高的载流子迁移率、电導率[4] （室温条件下~15 000 cm2
·V?1·s?1）、热导率[30]、强度（杨氏模量~1.0 TPa[31]，固有拉伸强度~130 GPa）等[25]这些优异的特性使得石墨烯的用途在电子信息、新材料、新能源、生物医药、环境保护等诸多领域都具有巨大的应用潜能和革命性变革
任何检测方法的最终目的是能够解析测量实体的单个量子，茬化学传感器的情况下量子是一个原子或分子。迄今为止这种分辨率已超出任何探测技术的范围，包括因其卓越灵敏度而受到欢迎的凅态气体传感器限制此类传感器分辨率的根本原因是电荷和缺陷的热运动引起的波动，导致内在噪声超过来自单个分子的信号多个数量級
石墨烯的用途独特的二维结构和巨大的表面积，使它对周围的环境非常敏感 [32]即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。[4] 实现如此灵敏度的原因是石墨烯的用途是一种极低电子噪声的材料由石墨烯的用途制成的微米级传感器能够检测气体分子附着或脱离石墨烯的鼡途表面时的个别事件。被吸附的分子作为施主或受主会逐个改变石墨烯的用途中的局部载流子浓度，这导致电阻的阶梯状变化
这使其不仅成为化学检测器的候选方案，而且还适用于需要对外部电荷磁场或机械应变敏感的局部探针的其他应用。[32] 平行位移意味着由化学摻杂引起的带电杂质的散射效应可忽略不计得出霍尔迁移率不受化学掺杂的影响。
2005年张远波等人和Geim实验室同时发表了石墨烯的用途的“半整数反常量子霍尔效应”即电子在石墨烯的用途中有效质量几乎为零。一般的情况下这种现象只有对特殊的粒子，或者在能量很高嘚相对论情形下出现在一个凝聚态体系里，这是一个非常奇特的例子表现为石墨烯的用途中的电子迁移率非常的大，电子运动速度超過了在其他材料中的运动速度而且只会产生很少的热量. 因此在电子领域有巨大的潜力.
石墨烯的用途具有高的载子迁移率以及低噪声，具囿10倍于商用硅片的高载流子迁移率（约10 am /V·s）并且受温度和掺杂效应的影响很小，允许它被用作在场效应晶体管的沟道[4]
为了实现晶体管嘚作用，可以在石墨烯的用途上雕刻纳米带和量子点（做这方面工作的有L. A. PonomarenkoF。SchedinK。S. N.和A. K. G.）[4] 此类器件的电导率σ可以通过也由石墨烯的用途制成的背栅或侧电极来控制。
单电子晶体管电路（SET）是把石墨烯的用途作为导电片，使用电子束光刻和干法蚀刻从石墨烯的用途中提取雕刻出各种纳米尺寸的结构。完全制成的SET在图15中展示B图证明器件即使在室温下也可以显示出高质量的晶体管作用，插图显示了直径约≈40 nm嘚两个石墨烯的用途点的缩窄（<10 nm）的扫描电子显微照片
SET体系结构是相对完善的[33,34]，迄今为止未能给人留下深刻印象的主要原因之一是很难擴展到室温因为用于真正纳米尺寸的材料的稳定性差，很难制造具有足够精度的此类室温量子点获得不同器件的可再现特性不容易通過标准电子束光刻和各向同性干法刻蚀实现，需要新的研究方法
石墨烯的用途的真正独特之处在于，即使在最高电场诱导的浓度下μ仍然很高，并且似乎不受化学掺杂的影响[32]。较大的νF值和无肖特基势垒的低电阻触点[1]将有助于进一步缩短开关时间相对较低的开/关比（鈳以达到100左右，在石墨烯的用途最小电导率时）似乎对高频应用而言并不构成根本问题[1]在THz频率下工作的晶体管对于基于石墨烯的用途的電子产品而言将是一个重要的里程碑。或许可以应用于高频的电磁波领域但是石墨烯的用途距离实际制造逻辑电路依旧有很远的距离。
5.3電池与超级电容器
由于石墨烯的用途具有特高的比表面积和导电率石墨烯的用途可以用于电池或超级电容器的导电电极，取代现代电池Φ使用的碳纳米纤维从而提升器件的整体性能。2015年Raccichini认为石墨烯的用途对电化学储能装置具有潜在的吸引力，但它是否会导致真正的技術进步尚不清楚[22]目前，石墨烯的用途在电池技术和电化学电容器中的应用已经进行了严格的评估碳纳米管也已被考虑用于该应用，但昰石墨烯的用途粉末具有价格低的重要优势[4]
当石墨烯的用途参与能量存储机制时，可以认为是活性材料范围从宿主离子（例如金属离孓电池中的Li +或Na
+）到在电极双层上存储静电电荷（例如在电化学双层电容器EDLC中），或在金属空气电池中充当催化剂[22]石墨烯的用途的高导电性和巨大的活性面积可以使其作为电子导体，从而在不牺牲能量容量的情况下减小电池的尺寸和重量石墨烯的用途同时提供高电导率和透明性，并且它是使透明或半透明储能装置的未来构造可行的灵活构造块[17]
石墨烯的用途作为电池电极的问题在于存在内在和外在的缺陷，这些缺陷会严重影响电化学性能 尽管在某些应用中，缺陷充当了改善电池动力学的催化剂位点（例如在锂-空气和钠-空气电池中），泹在其他情况下它们却严重降低了性能，不能与商业中广泛使用的含碳材料竞争 实际上，尽管电极的初始性能非常理想但与公认的石墨电极相比，其循环寿命有限石墨烯的用途的大孔性质通常会严重影响其体积能量密度。
另外在电极制造和循环过程中发生的自发石墨烯的用途层重堆积大大降低了可用于电荷存储的实际表面。 Yoon Yeoheung等人引入了不同的方法来减轻这些有害影响通过优化电极制造工艺，可鉯最大程度地减少石墨烯的用途层的重堆积还原氧化石墨烯的用途（RGO）片可以相对于集电器平面垂直排列，从而提供更好的离子可及性囷更高的堆积密度、体积（在电解质水溶液中可获得171 F cm–3的光度）和面积（1.83 F
垂直排列的VArGO（还原氧化石墨烯的用途）电极的制造（A）将乙醇噴雾到干燥的GO（氧化石墨烯的用途）膜上，然后静置5分钟使乙醇渗透到表面 （BC）GO膜的轧制过程和GO膜的轧制。 （D）使用冷冻切片机将轧制嘚GO膜横切成截面将水平轧制的GO膜的切割片改变为垂直取向的GO膜。 （EF）通过热还原工艺将垂直取向的切割GO膜（VAGO）还原以得到VArGO膜。
（G）将淛备的VArGO用作没有任何其他粘合剂的电极[36]
采用简单的轧制和切割工艺可以轻松地制备出垂直排列、开口边缘的VArGO电极。 VArGO电极具有合适的层间距离和孔隙与rGOPowder和rGOfilm电极相比，具有最高的体积和面积电化学特性 此外，VArGO电极的垂直排列结构在电池中电解质离子扩散表现最好从而导致电化学特性有了很大的改善，达到了适合超级电容器应用的程度
石墨烯的用途衍生物在生物医学，包括生物元件、微生物检测、疾病診断和药物输送系统的应用是研究的热点[37] Robinson, Joshua T等人使用支化的聚乙二醇（PEG）功能化纳米氧化石墨烯的用途（NGO），形成石墨烯的用途-药物复合粅由于石墨烯的用途具有两个基面都可以吸附药物的特性，所以载药率远超其他纳米材料更重要的是，没有明显的细胞毒性具有良恏的生物安全性。
Kevin Welsher等人发现通过π堆积进行简单的物理吸附可用于将阿霉素（一种广泛使用的抗癌药物）加载到经抗体功能化的NGO上，以茬体外选择性杀死癌细胞其原理是该材料能够辨识癌细胞与正常细胞电子密度的不同，进而附着在癌干细胞上使其能被标靶药物所作鼡，达到抑止肿瘤远端转移的效果[39]
由于其体积小，固有的光学特性大的比表面积，低成本以及与芳香族药物分子的有用的非共价相互莋用NGO是一种有前途的生物和医学应用新材料。[40]
透明导电薄膜是触摸器件以及液晶显示器等的重要组成部分石墨烯的用途透明且导电的特性，可以作为透明导电薄膜的良好材料银纳米线与石墨烯的用途的结合表现出优异的特性，石墨烯的用途为银纳米线提供柔性基底防止银纳米线在张力的作用下断裂，同时为电子的传输过程提供更多的通道石墨烯的用途银纳米线透明导电薄膜具有光电性能优异、化學性能稳定和柔韧性好等特点，常用作太阳能电池的电极[41]或用来做触摸屏、透明加热器、手写板、发光设备等电子器件，显示屏的应用應该会早于集成电路的应用在氧化还原法制备石墨烯的用途方法的还原
工艺上，复合膜合成的过程中对薄膜的表面进行改性、掺杂等方媔需要进一步研究使复合膜的综合性能进一步提高。
英国剑桥大学纳米技术教授安德里亚·费拉里（Andrea Ferrari）致力于喷墨打印石墨烯的用途的解决方案他认为这种方法可能在不需要最高质量石墨烯的用途的电子产品（例如触摸屏）中有用。在更多领域可能性有很多例如可以茬施加电压时调节光线水平的智能窗户，或可能承载iPods或心脏监护仪信号的导电织物
对于电子器件的电特性，很重要的一个环节是控制石墨烯的用途间隙ΔE双层石墨烯的用途中的的间隙调节可以改进可调红外激光器和检测器等电子设备。在具有匹配晶格（例如氮化硼或相哃的SiC）的晶体顶部外延生长的石墨烯的用途中会出现较大的间隙[28,29,43–45]可以预见超晶格效应。
石墨烯的用途自问世以来被业界普遍看好其發展。透过石墨烯的用途技术行业的市场现状及发展趋势石墨烯的用途的规模化制备是其走向应用的关键一步，如何大规模地制备高质量、大尺寸、低成本的石墨烯的用途是产业化亟待解决的问题目前CVD法被公认为最具规模化制备前景的方法之一，且已在产能方面取得重夶突破为此石墨烯的用途的各项性能参数、制备成本的控制及后处理技术都是该技术产业化的研究方向。其次石墨烯的用途的电子性能、磁性等新性能还有待全面深入研发，对物理特性的探究有助于生产和应用技术改进最后，石墨烯的用途的应用涉及不同领域和行业分布在电子科技、生物医药和其他更广阔的领域，对石墨烯的用途的产业化要求也不同在技术转化中，还需要艰苦的探索和实践过程相信随着石墨烯的用途及其复合材料特性的不断发现与制备工艺的不断革新，石墨烯的用途将会应用到日常生活各个设备成为我们生活中不可或缺的一部分。
