物理性质
研究发现，当石墨层的层数少于10层时，就会表现出较普通三维石墨不同的电子结构。我们将10层以下的石墨材料( Graphene 和Few-layer graphenes) 统称为石墨烯材料(Graphenes) 。石墨烯(Graphenes) 分解可以变成零维的富勒烯， 卷曲可以形成一维的碳纳米管， 叠加可以形成三维的石墨。石墨烯材料的理论比表面积高达2600m2/g， 具有突出的导热性能( 3000W/(m.K)) 和力学性能(1060GPa)， 以及室温下高速的电子迁移率(15000cm2/(V.s))。石墨烯特殊的结构， 使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应、从不消失的电导率等一系列性质， 引起了科学界巨大兴趣， 石墨烯正掀起一股研究的热潮。自2004年之后，关于石墨烯的研究报道如雨后春笋般涌现，在Science、Nature上相关报道就有400余篇，又一场碳化学的革命正在悄然兴起。
氧化石墨还原途径
石墨是一种憎水性物质，与其相比，氧化石墨( 图3) 拥有大量的羟基、羧基等基团，是一种亲水性物质。其层间距(0.7~1. 2nm)也较石墨的层间距(0.335nm)大。石墨常用的氧化方法主要有3种: Standenmaier法、Brodie法、Hummers法。氧化石墨上C原子属于sp3杂化，与石墨相比氧化石墨的导电性很差。但相对于石墨，由于氧化石墨层表面含有大量的官能团，因此氧化石墨和改性氧化石墨与许多聚合物基体有较好的相容性。氧化石墨和改性氧化石墨在锂离子电池负极材料和阻燃复合材料方面的应用引起了广泛的关注。
与一些化学物质发生反应，得到改性石墨。而这种氧化石墨的有机改性也可使氧化石墨表面由亲水性变为亲油性、表面能降低，从而提高与聚合物单体或聚合物之间的相容性。因而增强了氧化石墨和聚合物间的粘接性。氧化石墨经过适当的超声波震荡处理极易在水溶液或者有机溶剂中分散成均匀的单层氧化石墨烯溶液，这为人们制备大量单层石墨烯提供了可能。
石墨烯的表征
单层石墨烯之所以至今才被人们发现, 是因为表征手段的限制。目前表征石墨烯的有效手段主要有: 原子力显微镜、光学显微镜、Raman光谱。
原子力显微镜的应用使得观测到单层石墨烯成为可能。单层石墨烯由于其厚度只有0.335nm, 在扫描电子显微镜(SEM) 中很难被观测到, 只有在原子力显微镜(AFM) 中才能清晰的观测到。原子力显微镜是表征石墨烯材料的最直接有效的手段。
然而基于微机械剥离方法制得的石墨烯, 产量很低, 并且在微量的剥离物中掺杂着很多多层石墨片, 直接用原子力显微镜观测, 效率很低。Geim 等发现单层石墨烯附着在表面覆盖着一定厚度(300nm) 的SiO2层Si晶片上, 在光学显微镜下便可以观测到。这是由于单层石墨层和衬底对光线产生一定的干涉, 有一定的对比度, 因而在光学显微镜下可以分辨出单层石墨烯。
利用光学显微镜观测石墨烯, 为石墨烯的表征提供了一个快速简便的手段, 使得石墨烯得到进一步精确表征成为可能。
市场前景展望
随着人们对石墨烯研究的不断深入以及制备方法的改进，石墨烯在复合材料、纳米器件和储氢材料等领域得到了广泛的关注。石墨烯的导电性好，有望代替硅生产超级计算机; 它的质量轻、强度高, 不仅可用来开发出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣, 甚至能让科学家梦寐以求的213万英里长的太空电梯成为现实。然而，要想使石墨烯材料产品化，真正为人们所用, 必须能够得到大量结构完整的高质量石墨烯。这就要求提高现有制备工艺的水平。微机械法显然不能满足未来工业化的要求。氧化石墨还原法虽然能够以相对较低的成本制备出大量的石墨烯，使得其在复合材料和防静电涂料等领域有很大的应用前景，然而石墨烯的电子结构以及晶体的完整性均受到强氧化剂严重的破坏，将使其电子性质受到影响，一定程度上限制了其在精密的微电子领域的应用。化学生长法可以制备出大面积连续且性能优异的石墨烯薄膜半导体材料，而且现有的半导体加工技术也可以对石墨烯薄膜材料进行剪裁修饰，使得化学生长法制备出的石墨烯材料在微电子领域有着巨大的应用潜力。然而化学沉积法制备石墨烯的途径还在进一步探索、完善中，现阶段工艺的不成熟以及较高的成本都限制了其大规模应用。如何大量、低成本制备出高质量的石墨烯材料应该是未来研究的一个重点。虽然科学家已经在此方面做了很多努力，但仍无法实现其工业生产，因而，关于石墨烯的合成方法研究仍是一个研究热点。此外, 科学家们将更多关注如何通过化学的方法对其进行修饰，进一步提高其各方面性能，促进器件化、工业化、商品化的进程。
