石墨烯的真相
什么是石墨烯？
石墨烯是一种单层碳聚合物。
石墨烯是由纯碳制成的。它是一种碳原子排列在一个单一层中的材料，形成一种蜂窝模式。应该强调的是，这层碳只有一个原子厚， 尽管一些创始者认为高达十层的碳形成石墨烯。 如果我们将十层或更多层的石墨烯叠加，由此产生的物质将被称为石墨，这就是我们使用的铅笔心了。
石墨烯是Hanns Peter Boehm创造的术语。有些科学家使用“零带隙半导体”这一短语来指石墨烯。众所周知其拼写也在发生变化，比如grafene以及graphen，但是那些英文拼写是不正确的，虽然他们可能在其他语言中是有效的。
发现石墨烯
石墨烯在理论上由Philip R.Wallace在他的名为“石墨的能带理论”的作品中预测，并于1947年发表在《物理评论》上。石墨烯是在2003年由曼彻斯特大学的安德烈·海姆以及科斯特亚·诺沃肖洛夫发现的，而且结果于2004年公布于众。因为这项工作，他们在2010年被授予了诺贝尔奖。为了澄清这一点，即使自20世纪70年代以来石墨烯在各种单晶衬底上成功生长，直到2003年石墨烯最终才以自由形式分离出来。有趣的是，要知道他们是用普通胶带生产小批量的石墨烯。这是非常重要的，因为处于自由状态而不是结合到支持晶体结构时，石墨烯的电性和物理性质是截然不同的。
电子传输系统和电子迁移率
虽然作为现代微电子学的主要成分的硅具有<1400cm 2 / Vs的电子迁移率，但是石墨烯具有200000cm 2 / Vs的电子迁移率，几乎比硅高200倍。 这意味着电子通过石墨烯移动得更快。
石墨烯在速度上击败了硅
从这个事实来看，基于石墨烯的电子器件理论上可以以比常规硅基器件高近200倍的速度工作。IBM研究人员成功地实现了在40纳米栅长的石墨烯FET转换高达280 GHz的截止频率。科学家期望在2013年看到石墨烯FET截止频率高达600 GHz，而如果栅极长度保持几个纳米，理论极限会高达约10 THz。相比之下，硅锗（SiGe）晶体管在低于100GHz时可以达到最大工作的频率。希望石墨烯的突破将保持摩尔定律。
低电阻率
为什么自由形式的石墨烯更胜一筹？
自由形式的石墨烯用作电子的波导。这意味着，他们可以以在真空中光速的约1 / 10的速度没有碰撞的自由流动。然而,当石墨烯生长于基质上，比如二氧化硅,其电子迁移率降低了五倍。电子迁移率降低是石墨烯敏感的电子轨道导致的，当与其它材料接触时，其改变形状。这就是为什么科学家正在研究如何更有效地制造并与自由形式的石墨烯相互作用。
到目前为止，石墨烯可能听起来像一种非常酷的材料。如果你对制作自己的石墨烯感兴趣，请阅读怎样制作石墨烯或者只要继续浏览，信息就在下一张网页。
石墨烯晶体管以及石墨烯的逻辑
数字电路中的晶体管有两个不同的状态，开和关（晶体管实际上具有除了ON和OFF之外的若干不同状态，但是这两个在本讨论中是主要关注的状态）。纯石墨烯即使在OFF状态下也通过传导大量的电流而产生问题。石墨烯在OFF状态下传导电流，因为它是一种零带隙半导体。 零带隙半导体不需要外部电场而使自己变得导电。结果：石墨烯逻辑门具有高静态功耗 – 它们在器件导通和关断时都消耗功率。有两种方法来解决这个问题：缩短栅极长度或使用掺杂的石墨烯。
石墨烯可以按照掺杂硅晶体的相同方式掺杂。当掺杂钾离子时，电子迁移率可以降低高达20倍。 在这种情况下，受控的电子迁移率降低是期望的效果。需要更多的研究以显示最佳的掺杂剂及其浓度。
自愈性
石墨烯一个很有趣的属性是自愈性。这意味着如果我们从石墨烯片内的任何位置除去碳原子，然后将这片石墨烯暴露于碳原子或一些含碳分子的环境中，则其中之一将完美地卡入到位，填充由除去的碳原子而产生的孔，并符合六边形形状。 自愈能力对于纳米技术是非常重要的，因为单个杂散离子可以在纳米结构中打孔，从而使其无用。如果纳米结构可以自愈，那么其便可以承受恶劣的环境带来的影响。
相对材料强度与重量
轻质石墨烯基材料。
这个令人振奋的新材料是科学已知最强的材料之一。由于其单原子厚度，石墨烯可以包装在小体积中，同时保持极高的表面积。 一平方米（10.7平方英尺）的石墨烯重量在1毫克。这使其在与别的高比面积材料相比时在重量面积以及体积比率方面更胜一筹。尽管其非常坚固，但碳层只有一个原子厚，容易断裂。这使得用石墨烯工作是一个具有挑战性的任务。科学家们已经在石墨烯的基础上开发了新材料，其利用了石墨烯的独特性质，同时使其厚到足以承受更高的应力。
如何购买石墨烯？
在家如何制作石墨烯
事实证明，许多读者想在家里制作石墨烯，所以这是透露一次：你可以自己制造少批量的石墨烯！然而，尽管可能，但要做大量的石墨烯却不容易。事实上,在撰写本文时,科学家们仍然不知道如何有效地使大量高品质的石墨烯,因为技术过程尚未开发。不过，少批量制作石墨烯却很简单。
你能够在DIY条件下的位的长度只有几个纳米，所以要忘记宏观石墨烯片石墨烯条。你可以自己制作的最大的一块石墨烯是0.25平方毫米（但你会制作大量的石墨烯）。做出的这块石墨烯不会比这个网页上的感叹号大多少！在工业应用中，科学家们用栅极长度在25nm以下的石墨烯制作晶体管…所以你的点大小的石墨烯，虽然它看起来小得多，但可以用来制造数百个晶体管。仍旧有兴趣制作石墨烯吗？非常棒，继续读下去！
方法1：胶带
方法2：厨房搅拌机
一组科学家的文章发表于2014年4月20日，文章中他们描述了如何使用称作液体剪切剥离的方法来制作石墨烯。在这里你可以找到文章的摘要，但是全文需要付费。
在液体中剪切剥离的方法开始是将粉末晶体倾倒在液体中，然后使用剪切混合器将材料层从晶体中分离（剥离）。选择会用于此工艺过程中的液体，使得小石墨烯颗粒不会团聚到一起，结果得到的是石墨烯的液体悬浮液。然后可以将悬浮液干燥以获得石墨烯纳米片，或者其可以直接用于以后的工艺过程中，例如制备石墨烯涂层等。
方法3：DVD刻录机-光雕技术的方法
使用这种方法获得的石墨烯，配方要求具有光雕技术的DVD机驱动以及一些氧化石墨。你可以从制造商那里获得氧化石墨,或者为了这个实验你可以在家里做一些氧化石墨。如果你想了解如何在家做氧化石墨， 向下滚动到下一节
氧化石墨具有水溶性，所以在把它与水混合后，小心地放在一个光盘上。确保氧化石墨溶液均匀地分布在光盘的塑料表面上。待溶液干燥并在光盘上形成一层氧化石墨膜后，将光盘放入DVD驱动器，薄膜面朝下。使用光雕软件刻录氧化层。与激光束接触的薄膜区将会变成石墨烯。激光束引起了将石墨氧化物还原为石墨烯的化学反应。将所得石墨烯层小心地从盘上移除并切割成适当尺寸的碎片。这些碎片可以直接用来制作石墨烯超级电容器！这可能也是在家制作石墨烯最简易的方法，但是得假设您能获得氧化石墨以及一个光雕驱动器。
另一个提示：如果你对于DVD刻录机保修失效会觉得不舒服就不要用这种方法。
方法4：庚烷-水界面形成
浮在水面上的油。
这是到目前为止，我们所听到的最新的DIY石墨烯的配方。它涉及一些流体物理，以解释这里发生了什么。 如果你把一个非水溶性液体进入水中，它会浮在水面上，或者水会浮在水面上，其取决于添加的液体比水更重（密度更大）或更轻（密度较低）。一个常见的例子是石油浮在水面上（见图像）。
一组科学家[1]发现，您可以将两种不会混合的溶剂（例如庚烷和水）倒入玻璃杯中并加入细碎的石墨粉末，将其放入超声处理浴中来制备石墨烯。你可以在大部分的化学品供应商店中购买庚烷，水随时都有（使用蒸馏水是一个好主意），你可以很容易地在艺术品商店获得石墨棒。超声处理浴很有必要，但这些在易趣网以及类似的网站上并不常见。所得石墨烯为1至4层厚，并且其化学性质稳定。可以将其提取并沉积在透明玻璃板或任何其他基材上。
此想法是将细磨的石墨与水和庚烷（水和庚烷的1:1比例）混合并在超声波中处理一段时间。接下来发生的是石墨薄片在水和庚烷之间的界面处剥离，并且石墨烯在小瓶的玻璃壁上开始“上升”。如果通过界面引入亲水性基底（例如载玻片），石墨烯的薄膜也将爬上载玻片。然后可以提取载玻片，干燥后，您将留下有石墨烯涂层的玻璃。如果使用聚乙烯小瓶，生成的石墨烯将不会爬上小瓶的侧壁，但你仍然可以用玻璃或其他亲水材料制成的载玻片提取。结果显示于右边的图像中。
此次石墨烯制作过程的最终产品显示于左边的图像上。石墨烯作为薄膜沉积在玻璃板的两侧，且通过观察可以看到其轻微的光吸收性能（石墨烯可吸收约2.3％的可见光）。该方法的解释是石墨烯从水和庚烷之间的界面上的小剥离薄片上自行重新组装，因为石墨烯的表面张力（54.8mN / m）几乎同水的表面张力（72.9mN / m） 和庚烷（20.1mN / m）相符。石墨烯膜的厚度受到界面上的毛细作用力的限制，而且过量的石墨烯会很容易地落到小瓶的底部。厚聚集体的形成受到扩散压制同时在能源需求的要求下形成了新的一层。更多相关信息，请参考原文文献 [ 1 ]
如何在家里制造氧化石墨？
免责声明
为了使用上述DVD方法在家中制造石墨烯，你需要氧化石墨。你可以从各种来源购买氧化石墨比如在网上，或者自己可以试着制作氧化石墨。在本文中，我们会解释自己如何在家中制作氧化石墨。该程序比较简单而且大多数所需成分你都可以在柜台买到。然而，请注意这个程序并不安全，遵循本指南可能会导致爆炸，火灾以及严重的伤害。显而易见，如果您自己选择这样做，那么在使用酸和爆炸性材料时请遵守注意事项。事实上，我们相信，除非你是有执照的药剂师，不然最好买氧化石墨而不是在家里制作。我们提供这一文本仅仅是用作一种教育资源。通过阅读以下内容，您得承认您了解使用本文中所列化学品的风险，并完全了解它们可能对您的健康和安全所造成的所有化学反应以及危险。为避免烟雾和火灾危险，请在户外和通风良好的环境中进行本实验。尽管我们注意确保文本中没有错误，但对文本中任何可能出现的错误我们不承担任何责任。
介绍
氧化石墨已经有将近150年的历史了。在1859年第一次筹备氧化石墨。自那时以来，该过程有了改进，而且许多该领域的研究人员评论了最初发现该方法的B.Brodie所描述的与原始程序相关的潜在危险和风险。如果您可以使用离心机，此处概述的方法在低于45摄氏度的温度下需要约2小时。如果没有离心机，那么需要一天左右的时间来让多余的水从容器中蒸发。
过程
将100g粉末状石墨与50g硝酸钠一起放入2.3升工业硫酸中。
作为一项安全措施，确保将这些成分在大得多的防漏容器中混合后，置于零摄氏度的冰浴中。.容器体积至少应有15至20升。
当心！在不断的混合成分时，向混合物中添加300g的高锰酸钾。不要一次将300g全部加进去。相反，小心地将高锰酸钾一克一克的加进去，以避免加热混合物达到20摄氏度以上！当心！高锰酸钾是一种强大的氧化剂，能够让皮肤及其他有机物质着色，如接触的衣物。在与硫酸混合时，其会产生一种具有高度爆炸性的氧化锰，所以必须采取一切安全措施！确保其不会超过最大温度。
当心！30分钟后，缓慢小心地向混合物中加入4.8升水，同时搅拌。加入水将引起放热反应，这将使混合物的温度升高至接近100摄氏度，并且在剧烈反应中释放大量气体！将温度保持在98摄氏度15分钟。当心！该混合物现在将是棕色。
在仍旧温暖时过滤混合物。过滤器将呈黄棕色。用14升温水清洗滤饼三次。将所得氧化石墨分散在32升水中。为了获得干燥的氧化石墨，您需要一个强大的离心机。由于这可能不可用，将含有氧化石墨的水加热到40摄氏度，一直等到水蒸发后。大容器工作效果最好，因为较大的面积将有助于蒸发。
进一步的阅读
为方便起见，我们提供了描述此过程的原始文件。我们使用这篇论文作为我们如何在家里制作氧化石墨的指南基础。如果有疑问，请遵循该纸张的指示，而不是我们网站上所述的说明。还有几个Youtube视频，演示了完整的过程，这也可能是一个有价值的资源。