石墨烯（二維碳材料）

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的準二維材料，所以又叫做單原子層石墨。
它的厚度大約為0.335nm，根據制備方式的不同而存在不同的起伏，通常在垂直方向的高度大約1nm左右，水平方向寬度大約10nm到25nm，是除金剛石以外所有碳晶體（零維富勒烯，一維碳納米管，三維體向石墨）的基本結構單元。很早之前就有物理學家在理論上預言，準二維晶體本身熱力學性質不穩定，在室溫環境下會迅速分解或者蜷曲，所以其不能單獨存在。 直到2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，對于石墨烯的研究才開始活躍起來，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯目前最有潛力的應用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機。用石墨烯取代硅，計算機處理器的運行速度將會快數百倍。另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體分子（氦氣）也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。

石墨烯量子點：

? ? ? ? ? 石墨烯量子點是準零維的納米材料，其內部電子在各方向上的運動都受到局限，所以量子局限效應特別顯著，具有許多獨特的性質。這或將為電子學、光電學和電磁學領域帶來革命性的變化。應用于太陽能電池、電子設備、光學染料、生物標記和復合微粒系統等方面。石墨烯量子點在生物、醫學、材料、新型半導體器件等領域具有重要潛在應用。能實現單分子傳感器，也可能催生超小型晶體管或是利用半導體激光器所進行的芯片上通訊用來制作化學傳感器、太陽能電池、醫療成像裝置或是納米級電路等等。

　　大小不同的量子點結構，其中大的量子點也被稱為單電子晶體管（SET），被用作探測器讀出旁邊小量子點內的電荷狀態。單電子晶體管多柵極調控的石墨烯串聯雙量子點器件，通過低溫輸運，雙點的耦合強度可以從弱到強的調節。從而引起遂穿耦合能變化，表明這種高度可控的系統非常有望成為將來無核自旋的量子信息器件?？茖W家還測量了柵極調控的雙層石墨烯并聯雙量子點，通過背柵和側柵電極的調控可以將并聯雙點調節到不同的耦合區間。從雙點耦合的蜂窩圖抽取出了相關的耦合電容、耦合能等參數的高靈敏度，清楚地探測到量子點內的庫侖阻塞信號和激發態能譜，甚至傳統輸運測量不到的微弱庫侖充電信號也能被探測到。

　　石墨烯量子點（GQD）為基礎的材料，可能會使OLED顯示器和太陽能電池的生產成本更低。新的GQD不使用任何有毒金屬（如：鎘、鉛等）。使用GQD為基礎的材料，可能使未來OLED面板更輕、更靈活、成本更低。

在生物醫藥領域，石墨烯量子點極具應用前景。

? ? ? ? ? 在生物成像方面，在理論和實驗上都已證實，量子限制效應和邊效應可誘導石墨烯量子點發出熒光。在生物醫學研究領域中，常用熒光標記來標定研究對象，卻會因為過長的激發時間使得熒光失效被稱為光漂白（photo bleaching）使得一般熒光劑在生物醫學上的應用受到限制。石墨烯量子點擁有穩定的熒光光源，石墨烯量子點在制作時產生的缺陷，當氮原子在石墨烯量子點生產中占據原先碳原子的位置后又脫離，使其位置有一氮空缺（NitrogenVacancy， NV），而該缺陷在接受可見光激發后就會發出熒光。不同大小的石墨烯量子點有不同的熒光光譜，能為生物醫學研究提供極為穩定的熒光物。與熒光體相比，石墨烯量子點的優勢是發出的熒光更穩定，不會出現光漂白，因而不易出現光衰減失去其熒光性。這可能成為進一步探索生物成像的一個極有前景的途徑。石墨烯量子點還是非常好的藥物載體。具有良好的生物相容性和水溶液穩定性， 同時有利于化學功能化修飾， 以達到在不同領域應用的目的。利用含氧活性基團化學反應性不同， 可以與多種有特定化學和生物性能的化學基團和功能分子進行共價反應， 其中常見的共價修飾方法是通過酰化反應和酯化反應將生物分子或化學基團修飾在石墨烯上，還可以用π-π相互作用、離子鍵和氫鍵等非共價鍵作用， 對石墨烯進行表面功能化修飾。基于石墨烯的藥物載體由于其超高的載藥量、靶向輸送和藥物的可控釋放， 而且石墨烯量子點作為藥物載體可以突破血腦屏障，實現腦部直接給藥，有望在臨床上實現實際應用。

　　由于邊緣狀態和量子局限，石墨烯量子點的形狀和大小將決定它們的電學、光學、磁性和化學特性。大量獲取特定邊緣形狀和均勻尺寸的石墨烯量子點是個難題。目前自上而下的石墨烯量子點合成方式有平板印刷術、超聲化學法、富勒烯開籠和碳納米管釋放化學分解或電子束蝕刻等技術獲得。

　　量子限制效應（quantum confinement effect） 微結構材料三維尺度中至少有一個維度與電子德布羅意（deBroglie）波長相當，因此電子在此維度中的運動受到限制，電子態呈量子化分布，連續的能帶將分解為離散的能級，即形成分立的能級和駐波形式的波函數。當能級間距大于某些特征能量（如熱運動量KB；塞曼能hω，超導能隙Δ等）時，系統將表現出和大塊樣品不同的甚至是特有的性質，例如超晶格中由于能級離散引起的帶隙展寬及吸收邊的藍移。

石墨烯量子點的制備、表征與應用研究

　　氧化石墨（GO）的制備

　　本文采用改進的Hummers法對天然鱗片石墨進行氧化處理制備氧化石墨（GO），［20， 21］ 具體如下：在干燥的三頸燒瓶中加入46 mL 98%濃硫酸，低溫冷卻至0-4℃。強力攪拌下加入2 g天然鱗片石墨和1 g硝酸鈉，且控制水浴溫度至4℃以下1小時。隨后分幾次緩慢加入6 g高錳酸鉀，繼續攪拌反應1 h，溶液呈墨綠色，然后將錐形瓶置于35℃的恒溫水浴中，繼續攪拌反應2 h，反應結束后攪拌下加入100 mL二次蒸餾水，控制溫度在90℃繼續攪拌1 h，用150 mL二次蒸餾水稀釋反應液，再加入10 mL 30%雙氧水，攪拌至溶液呈金黃色。趁熱抽濾，用5%鹽酸和去離子水充分洗滌棕黃色沉淀物至pH值≈7。將棕黃色沉淀物放置在60℃的烘箱中干燥12 h，得氧化石墨烯固體，保存備用。

　　還原石墨烯的制備

　　化學還原石墨烯是用水合肼還原氧化石墨烯制得。稱取4.2.2得到的氧化石墨烯50 mg置于100 mL圓底燒瓶中，加入二次蒸餾水至100 mL，超聲約0.5 h使其完全溶解。取50 mL氧化石墨烯分散液于250 mL燒杯中，然后加入50 μL 35% 水合肼溶液和350 μL濃氨水，混合均勻，劇烈攪拌幾分鐘。置于95℃水浴中反應1 h，溶液慢慢由棕褐色變為黑色。待溶液冷卻至室溫時，用0.22 μm的濾膜進行抽濾，將濾得的沉淀物于60℃干燥12 h，即得到所需的還原石墨烯薄膜。

　　石墨烯量子點（GQDs）的制備

　　石墨烯量子點（GQDs）的電化學制備是在0.01 mol L-1磷酸鹽緩沖溶液（PBS）中進行的。用滴管向緩沖溶液中滴加兩滴4 mg/mL巰基丙氨酸溶液作為分散劑，在±0.3v電壓內以0.5 v s-1的掃描速率進行循環伏安（CV）掃描。由以上制得的石墨烯薄膜（5 mm×10 mm）作工作電極，Pt絲作輔助電極，甘汞電極作參比電極。過程中有石墨烯粒子從薄膜上剝落進入溶液中，溶液由無色變為黃色。將黃色溶液進一步用透析袋透析（透析袋截留分子量：3000道爾頓，袋外初始水體積為500 mL），每天換兩次水，透析三天，得到石墨烯量子點水溶液。