学文网石墨烯这种由碳原子紧密排列而成的蜂窝状结构二维材料，既是世界上最薄、最坚硬的纳米材料，同时也是世界上电阻最小的材料，它可以发展成为新一代的电子元件，广泛应用于电脑和手机等电子设备上。
石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层相同，可想象为由碳原子和其共价键所形成的原子网格。石墨烯极其稳定，同时也非常灵活。它的热能和电能的传导系数比金属更好，并且像玻璃一样透明。硅是目前制作芯片的基本物质，而石墨烯的电子迁移率是硅的100倍，可以发展出导电速度更快的新一代电子组件或晶体管，能够极大地提高电脑的性能。
石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验中成功地从石墨中分离出石墨烯，证实了它并非是假设性的结构，它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。而接下来的问题是，我们可以用这种神奇的材料做什么呢？这个问题的答案值10亿欧元，欧盟将在10年内投入10亿欧元的巨额研究经费支持石墨烯的应用研究项目。除此以外，三星和诺基亚等大型的IT公司也已经开始了在石墨烯领域的研究工作。
电脑技术的飞跃
100GHz的处理器和充电时间仅需数秒的电池，是目前石墨烯应用研究领域最为人所称道的项目。不过，虽然石墨烯具备实现这些应用的半导体特性，但是发掘石墨烯的宝藏并不是一件容易的事情。下面，CHIP将为大家介绍这中间必须要解决的问题以及更多石墨烯的新项目。
特性：超硬、超导
电子流能以较高的速度通过石墨烯，该材料非常坚硬，同时又具备柔性和透明的特点。
原子结构***揭示了石墨烯的秘密，碳原子组成的六边形网格中，每一个碳原子将与相邻的3个碳原子共同使用外层的3个电子，而第四个电子是可以自由移动的。前者使石墨烯结构更稳定和坚固，后者则赋予石墨烯良好的电导性和热导性。碳原子之间相互作用的纽带，使得石墨烯在层的方向上像钻石一样坚硬。但同时，六边形网格结构可以延伸自身约20%左右，碳原子之间的连接很柔韧，因而，石墨烯同时也是很柔韧的。
另外，石墨烯光栅即使损坏了，在催化剂（钯、镍）的作用下也可自我填充愈合，只需供应充足的碳原子用于修补即可。可以自由移动的外层电子在电脑方面的应用更有意义，它赋予了石墨烯特殊的属性：通过自由移动的外层电子相互转化，电子流能以更高的速度几乎毫无阻力地从石墨烯光栅通过。因而，使用石墨烯晶体管制成的电脑芯片将可以工作在更高的频率下，而不会受到热量的影响。2011年6月，IBM的研究人员宣布，他们已经成功地创造出了第一个以石墨烯为基础的芯片，它的工作频率高达100GHz。
大规模生产方面的研究进展
是否能够大量生产是阻碍石墨烯应用梦想实现的第一大问题，石墨烯生产方法有很多种，而目前主要采用的方法有3种。首先是剥离法，通过在高定向热裂解石墨上剥离石墨烯薄片，可以生产出高质量石墨烯，但该技术存在产量低和成本高的不足，无法满足工业化和规模化生产的要求，目前只能在实验室中进行小规模生产。
其次，碳化硅在大约1 000℃时会蒸发，蒸发后可得到二氧化硅，含碳的气体将会残留在碳化硅的表面，利用碳化硅的这一特点，将碳沉积在硅间隙同样可以生产出石墨烯。目前，由石墨烯层和碳化硅基板组成的50mm内径的晶圆就是采用这种方法生产的，但是埃尔兰根大学的一个团队的研究人员发现，这些晶圆虽然适合用于生产晶体管，但是载体材料的电子减速，电子迁移率大约为2 000cm2/Vs左右，虽然比目前广泛使用的掺杂硅（1400cm2/Vs）要高，但远小于石墨烯理论上的极限值（200 000cm2/Vs）。
另外还有化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD），该方法通过在铜表面上沉积分解的含碳气体，再通过化学刻蚀，刻蚀掉不适合作为载体材料的铜，最后将分离得到的石墨烯薄膜加在硅基板上，这样生产出的材料可以实现更高的电子迁移率（16 000cm2/Vs左右）。目前来说，CVD或许是未来大规模生产的最佳方法。
晶体管：
计划与蓝***
石墨烯无法直接取代硅作为晶体管的材料，因为这个神奇的材料需要进行适当的调整。
晶体管是电脑芯片的基本组成部分，这些微小的电子电路每一个代表着一个位。目前常见的晶体管以半导体硅作为主要材料，不同于石墨烯，硅的4个外层电子中的每一个都与它的相邻原子形成共价键，硅没有可以自由移动的电子。因而，需要掺杂其他材料加入外来原子，例如源极和漏极进行N型掺杂，掺入外层有5个电子的砷，如果砷被硅吸收，那么就会多出一个自由移动的外层电子。通道进行P型掺杂，掺入只有3个外层电子的硼，由于反而少了1个电子，所以就会形成一个所谓的“空穴”。当施加电压时，硅晶体管中通道打开，电子从源极流到漏极。所施加的电压，其大小取决于掺杂的材料与程度。硅的禁带宽带为1.1eV（电子伏特），这是电子越过导带和价带之间的禁带所需要的能量。只有当电子能够跳跃至导带，晶体管才处于打开的导电状态。但是石墨烯没有禁带，电子在导带中总是存在，如果作为晶体管材料，那么石墨烯晶体管将一直处于打开的状态，缺少关闭状态。
打造石墨烯半导体
石墨烯必须具有禁带才能够成为适合用于晶体管的材料，在过去的几个月该领域已经有了一些突破。一个科学家小组在佐治亚理工学院使用碳化硅方法已经可以重建石墨烯纳米带。由于石墨烯形成了波浪的形状，所以这将会产生0.5eV的禁带宽度。
除此之外，日本研究人员已经先行了一步，他们已经通过CVD法开发出了30nm的石墨烯晶体管（最新的英特尔三栅极晶体管为22nm）。日本的研究人员使用氦离子轰击石墨烯，产生干扰形成树状结构。由于这样形成的禁带宽度很小，所以他们采用了两个栅极来控制电子的流动。
日本研究人员目前正计划制造这种晶体管的晶圆，以证明他们的方法是否适合大批量生产。不过，也许改变传统的晶体管模型可以设计出更好的石墨烯晶体管。在英国曼彻斯特大学的一个研究项目中，研究人员通过CVD法，将两层石墨烯用一层钨（IV）硫化物（WS2）分隔开来。这将产生一个2.1eV的禁带宽度，必须施以足够的能量，电子才能够从一个石墨烯层移动到另一个。
应用：内存、电池
石墨烯对于电脑相关的其他设备同样意义重大，其中显示器将会是第一位。
在研究出如何使用石墨烯作为晶体管的材料之后，设计出一种快速并能够长期保存数据的闪存单元就不会是一件太难的事情了。瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员已经建立了一个用石墨烯制作浮栅的闪存单元，其工作原理就像一个晶体管。当施加电压时，电子流从源极到漏极。唯一的区别是，栅极和通道之间多了一个石墨烯制作的浮栅。这个浮栅实际上是闪存单元的存储元件，浮动栅中电子的数量决定了该位的值。当施加电压时读出该值，施加高电压，当正电压超过10V时将填充浮栅，施以相应的负电压则清空浮栅中的电子。
这个闪存单元原型通道由同样具有卓越电子特性的矿物辉钼矿（二硫化钼）制成，在石墨烯禁带宽度为1.8eV的情况下，二硫化钼的电子迁移率很高。此外，石墨烯闪存单元可以更长期地保存数据，因为它比使用硅闪存的固态硬盘或者闪存盘的删除周期更长。其次，石墨烯闪存单元能在一个较低的电压下运作和删除，且具有较高的读取和写入速度。
石墨烯优异的导电性注定了它将被用于太阳能电池或电池组，纽约的伦斯勒理工学院的实验表明，使用石墨烯作为材料，电池的充电时间可以从12min减少到90s。
由于石墨烯不仅导电性非常好，同时还是透明的，因而，也非常适用于各种类型的显示器。早在2010年，斯坦福大学的研究人员就已经研发出了使用石墨烯电极的有机发光二极管（OLED），使用石墨烯取代透明的但昂贵的铟锡氧化物（ITO），这种电极也同样可以应用于太阳能电池。
石墨烯的机械性能也同样可以加以利用，其重量轻、灵活性和耐久性高的特点，是完美的耳机振膜材料。加州大学伯克利分校的一个研究小组最近介绍了一种石墨烯的耳机振膜，振膜的直径只有7mm，使用两个硅电极驱动，声音质量完全可以比拟高端耳机。
我们无法预测石墨烯是否能够满足所有研究人员和公司的期望，而且目前石墨烯材料以及石墨烯晶体管大规模生产的问题也尚未解决。不过，诺贝尔奖的获得者康斯坦丁·诺沃肖洛夫领导的一个研究小组已经公布了一份路线***，他们预测石墨烯产品将很快进入市场，首先进入市场的将会是显示器、用于无线通讯的高频晶体管以及用于电脑的逻辑晶体管。按照这份路线***，我们将不得不等待至少10年才可以用上100GHz的CPU。