前言

2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用膠帶剝離法成功地從石墨中剝離出石墨烯。2010年兩人共同獲得諾貝爾物理學獎，這在諾貝爾授獎史上是比較迅速的。石墨是塊狀晶體材料，石墨烯是二維單層原子晶體材料，兩者化學組成相同，就其物質本身而言，石墨烯并不是一種新物質，兩者的根本區別在于厚度不同。另外，在做掃描隧道顯微鏡實驗時，為了得到干凈的表面，即用膠帶剝離高取向的石墨，所以膠帶剝離法也不是新方法。那么為什么海姆和諾沃肖洛夫教授能憑借石墨烯獲得諾貝爾獎？這值得我們深思。究其原因主要有三個。首先，觀念上有突破。經典的二維晶體理論認為：準二維晶體材料由于其本身的熱力學擾動，在常溫常壓下會迅速分解從而不能穩定存在。海姆和諾沃肖洛夫教授從實驗上證明二維晶體材料在常溫常壓下能穩定存在，突破了傳統觀念。其次，石墨烯獨一無二的性能。石墨烯具有許多優異的性能，迄今為止，有些性能仍是獨一無二的。如：高強度，石墨烯的強度比金剛石還高（楊氏模量1100GPa，斷裂強度125GPa），比世界上最好的鋼鐵高100倍；高透明性，單層石墨烯的透光度97.7%，幾乎完全透明；高導熱性，熱導率5000W·m^–1·K^–1，是銅的10倍；高載流子遷移率，室溫載流子遷移率200000cm²·V^–1·s^–1，是單晶硅的100倍。由于石墨烯的高載流子遷移率，石墨烯基場效應晶體管的截止頻率高達400GHz，所以有學者認為：“碳電子學”有可能取代“硅電子學”，從而開創電子學的新時代，這是第三個原因。認真思考石墨烯的發現及海姆和諾沃肖洛夫教授憑此獲得諾貝爾獎的原因，對我們如何做開拓性、高水平的研究，乃至如何評價研究成果，不無啟發和領悟。

除了上述獨一無二的性能外，石墨烯還具有高比表面積（2630m²·g^–1）、高載流子濃度（10¹³cm^–2）和高的環境、化學、熱穩定性。石墨烯是目前已發現的最輕、最薄、強度最大、導電性和導熱性最好的材料。石墨烯的這些優異性能一方面激發了人們的研究熱情，另一方面掀起了應用開發和產業化的熱潮。無論何種材料，其最基本的兩個屬性：一是能“成材”，如石材、鋼材和塑材等；二是能“賺錢”。因此，一些基于石墨烯、含石墨烯或石墨烯改性的展品或產品已面世，如觸摸屏、導靜電輪胎、導電油墨、移動電源、取暖器、散熱器、功能涂料、復合材料和潤滑劑等。中國是石墨烯資源大國，也是石墨烯研究和應用開發最活躍的國家之一。預計2020年全球石墨烯市場將達到1000億美元，其中，我國的石墨烯市場將占據50%以上的份額，在全球市場上占據主導地位，實現石墨烯“開花在英國”“結果在中國”的國家目標。

受如此大好形勢的鼓舞和推動，我們編著了《石墨烯：從基礎到應用》一書。本書共分9章。第1章由耿德超博士撰寫，介紹了石墨烯的基礎知識，包括發現歷史，結構、性能和表征手段。第2章由張濤、盧文靜、韓江麗、劉津欣和付磊教授撰寫，總結了石墨烯的各種制備方法，包括剝離法、SiC外延生長法、電弧放電法、氧化還原法、化學氣相沉積法、偏析生長法和自下而上合成法，并對各種制備方法的優缺點進行了評述。第3章由王西鸞副教授和石高全教授撰寫，概述了石墨烯化學，包括石墨烯的功能化、化學摻雜、光化學、催化化學和超分子化學。第4章由魏大程教授和蔡智撰寫，首先介紹了石墨烯的基本電學性質，接著闡述了電學性能的調控方法，然后介紹了石墨烯在電學器件方面的應用。第5章由李紹娟、沐浩然、王玉生、李鵬飛、薛運周和鮑橋梁教授撰寫，首先介紹了石墨烯的線性、非線性光學性質；然后重點綜述了石墨烯的各種光學原型器件，包括激光器、光調制器、光偏振器和光探測器；最后介紹了石墨烯表面等離子體的基礎知識、觀測方法和應用。第6章由夏慶林教授撰寫，概述了石墨烯的磁學性質。第7章由苗力孝、孔德斌和智林杰研究員撰寫，簡要評述了石墨烯基復合材料在五個方面的應用，包括電學復合材料、光學復合材料、生物復合材料、力學熱學復合材料和石墨烯基復合材料在其他領域中的應用。第8章由張哲野博士、肖菲副教授和王帥教授撰寫，展示了石墨烯作為能源材料的特點和優勢以及在超級電容器、二次電池、燃料電池、太陽能電池和儲氫等方面的應用前景。第9章由趙增華和王鈺研究員撰寫，從工業應用的角度評述了石墨烯在功能材料、能量存儲與轉換和環境監測與治理三個方面的應用前景。雖機遇與風險并存，但前途光明。

中國科學院院士、北京大學劉忠范教授在百忙之中欣然為本書作序，為本書增色不少，我們非常感激。

石墨烯的基礎研究和應用開發發展十分迅速，新的知識、成果不斷涌現，文獻資料指數式增加，由于編著者的水平有限，書中難免有不妥之處，懇請專家和讀者批評指正！

2017年3月