石墨烯的研究历史

碳元素(C)是自然界最为神奇的元素。它既是地球上生命体的主要组成成分，又是众多性能奇特的材料的基本组成元素，例如，己知最为坚硬的物质：金刚石，由碳材料构成；较软的材料：石墨，也是由碳材料形成的。目前人们己知的在惰性气氛中高温力学性能最好的材料是一种碳．碳复合材料，该材料可以承受三千多度的高温而强度保持不变，在两千多度的高温下仍可以使用。

在纳米世界，碳元素的表现也同样惊喜，碳原子按照不同的方式排列，形成差异性巨大的物质，其中人们最熟悉的碳材料是金刚石和石墨这两个同素异形体，二者均为三维结构。在自然界中广泛存在的煤炭是碳的另一中存在形式：无定形碳。富勒烯是零维结构的碳材料，它是由正六边形或者正五边形组成的封闭的笼状结构，其中以C60最为人所熟知。碳纳米管是一维结构的碳材料，它是由单层的成六边形排列的石墨的原子同轴缠绕而成或由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的数层或者数十层的同轴的管状物。其直径一般为2-20 nm，长度则远大于其直径，层与层间保持固定的距离为0.34 nm。近几年引起各国研究者极大兴趣的石墨烯则是碳材料中具有二维结构的物质。它是世界上最薄也是最坚硬的纳米材料。它神奇的二维结构，拥有的独特性质，在电、光、磁和热学等方面表现突出。现在，由碳原子构成的具有几个原子层(通常小于10层)的石墨片层统称为石墨烯。

石墨“graphite”一词来源于希腊语“graphein”，而石墨烯“graphene”一词则由Boehm et al.在1986年提出：后缀“-ene”一般用来表示多环的芳香烃，如anthracene(蒽)，tetracene(并四苯)，coronene(六苯并苯)，ovalene(卵苯)等等。石墨烯的命名来自于石墨(graphite)+烯类的命名后缀(ene)，用来表示碳的单原子层无尽延展的原子尺寸网。1997年IUPAC(国际理论和应用化学联合会)采纳了此建议，从“graphene”用来表示碳的单原子层。现如今，一层或者几层碳原子层均可称为石墨烯。

追溯石墨烯的发展历史，最早的报道出现在1840年，关于氧化石墨(graphite oxide)及石墨层间复合物(graphite intercalation compounds)的研究。德国科学家Schafhaeutl声称：石墨的层间靠范德华力结合，此作用力较弱，因此石墨的层间可插入小分子的酸或碱金属，制得石墨的层间复合物；另外，他们通过硫酸或硝酸作用使石墨的层与层发生结构剥离，但当时研究的热点集中在石墨的层间复合物：碱金属、氟化物、过渡金属(铁、镍等等)及一些有机物都曾被引入到石墨的层状结构中，产生新的结构与性能。1859年，英国化学家Brodie在Schafhaeutl报道的基础上用强酸及氧化物(KCl03)制备出了氧化石墨：层状结构更为疏松，且表面负载了官能团，即石墨被氧化了。四十多年后，Staudenmaier在氧化石墨的制备过程中加入氯酸盐，使得石墨的分层变得更薄。1962年Boehm et al．及其合作者发现通过水合肼、硫化氢及二价铁盐对氧化石墨的加热和化学还原分离可得到厚度为4.6A的碳的薄层。当时的诸多研究
为如今的氧化石墨烯的制备提供了基础。

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geimand)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，采用微机械剥离法成功地从HOPG中分离出石墨烯，从而证实了石墨烯可以单独存在。这推翻了科学界的一个长久的错误认识一一任何单原子层的二维晶体都不能在有限的温度下存在。石墨烯这种二维晶体不仅可以在室温下存在，而且可以稳定地存在于通常的环境中。同时，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。从此石墨烯的研究进入了新阶段。