石墨烯（Graphene）是由sp²杂化碳原子构成的、只有一个原子层厚的二维晶体，是所有其它维度石墨材料（富勒烯、碳纳米管、石墨）的基本结构单元。其独特性质源于其完美的二维结构和独特的电子能带。

• 狄拉克锥电子结构: 这是石墨烯最核心、最独特的物理特性。其价带和导带在布里渊区的六个角点（K点）处相交，形成一个线性色散关系的狄拉克锥。这意味着其载流子（电子和空穴）的行为像没有静止质量的相对论性粒子（狄拉克费米子），而不是常规半导体中具有抛物线色散关系的薛定谔费米子。
• 无与伦比的电学性能:
  • 极高的载流子迁移率: 由于其独特的能带结构和完美的晶格，石墨烯在室温下的载流子迁移率可达200,000 cm²/Vs以上，远超硅和其它所有已知材料，是构建超高速晶体管的理想材料。
  • 零带隙半金属: 无缺陷的石墨烯没有带隙，这使其具有优异导电性的同时，也限制了其在需要高开关比的逻辑电路中的直接应用。
• 卓越的机械、热学与光学性能:
  • 史上最强材料: 单层石墨烯的抗拉强度高达130 GPa，是钢的200倍以上。
  • 史上最高热导率: 其室温热导率高达~5000 W/mK，远超金刚石和铜。
  • 宽谱光吸收: 单层石墨烯对从紫外到远红外的宽光谱范围都具有一个恒定的、仅为2.3%的吸收率（π*α，其中α为精细结构常数），这使其在光电探测器和透明电极中具有巨大应用。

对于石墨烯，其性能调控的核心挑战是打开其带隙并调控其费米能级，以满足不同电子学和光电子学应用的需求。

目标: 调控石墨烯的费米能级，使其成为p型或n型半导体。

• 表面吸附掺杂: 这是最常用的掺杂方法。
  • p型掺杂: 通过在其表面吸附强氧化性分子（如HNO₃, AuCl₃, F₄-TCNQ），可以从石墨烯中夺取电子，使其费米能级下移，成为p型。空气中的氧气和水分子也会使其天然地表现出弱p型。
  • n型掺杂: 通过在其表面吸附给电子性分子（如碱金属、胺类、PEI），可以向石墨烯中注入电子，使其费米能级上移，成为n型。
• 替代掺杂: 通过在CVD生长过程中引入含氮（如氨气）或含硼（如乙硼烷）的前驱体，可以将氮（N）或硼（B）原子共价地掺入石墨烯的晶格中，分别实现n型和p型掺杂。

目标: 打破石墨烯的对称性，使其从零带隙半金属转变为具有带隙的半导体。

• 量子限域: 将石墨烯裁剪成纳米尺寸的石墨烯纳米带（GNRs）或石墨烯量子点（GQDs），可以通过量子限域效应打开带隙。
• 化学功能化: 通过在石墨烯表面进行共价功能化（如氢化、氟化），可以将其sp²晶格转变为sp³杂化，从而打开带隙。
• 双层石墨烯: 在双层石墨烯中，通过施加一个垂直于平面的电场，可以打破两层之间的对称性，从而打开一个可调谐的带隙。

原始的、无缺陷的石墨烯由于其化学惰性，催化活性很低。然而，经过功能化或掺杂的石墨烯，是一种性能卓越的催化剂载体和无金属催化剂。

将金属纳米颗粒负载于石墨烯表面，可以构建出兼具高活性和高稳定性的复合催化剂。

• 超高的比表面积: 单层石墨烯的理论比表面积高达2630 m²/g，为催化活性组分（如Pt, Pd等贵金属纳米颗粒）的高度分散提供了完美的平台。
• 优异的导电性与稳定性: 石墨烯优异的导电性，非常适合作为电催化剂的载体。其完美的sp²结构使其具有比活性炭等传统碳载体高得多的抗电化学腐蚀能力，从而极大地提高了催化剂在燃料电池等苛刻环境中的使用寿命。
• 载体-金属强相互作用 (SMSI): 石墨烯与负载的金属颗粒之间存在强的电子相互作用，可以改变金属的电子结构，从而进一步提高其催化活性和稳定性。

通过杂原子掺杂，可以赋予石墨烯本身优异的催化活性。

• 电催化氧还原反应 (ORR): 氮（N）掺杂的石墨烯，是目前性能最优异的无金属ORR电催化剂之一，有望在燃料电池和金属-空气电池中替代昂贵的铂催化剂。

石墨烯及其衍生物（特别是氧化石墨烯, GO）凭借其独特的物理化学性质，在生物传感和成像领域是一种极具潜力的多功能平台。

这是石墨烯在生物医学中最重要、最有优势的应用之一。

• 场效应晶体管（FET）传感器:
  • 原理: 将石墨烯作为导电沟道，构建FET器件。当带电的生物分子（如DNA、蛋白质）吸附到其表面时，会像一个“顶栅”一样，通过场效应调制石墨烯沟道的电导率。
  • 优势: 石墨烯的二维结构使其所有原子都暴露在表面，因此其电导率对表面吸附的分子极其敏感，可以实现单分子级别的无标记、实时检测。
• 荧光猝灭平台: 氧化石墨烯（GO）具有极强的宽谱荧光猝灭能力。可以将其与荧光标记的DNA探针结合，构建“关-开”式传感器，用于检测目标DNA序列或其它分子。

• 光声成像 (PAI) / 光热成像 (PTI): 经过PEG化修饰的石墨烯纳米片在近红外区有强吸收，可以作为一种高效的PAI造影剂和PTI探针，用于深层组织成像。

石墨烯及其衍生物（特别是氧化石墨烯, GO）因其巨大的比表面积和独特的近红外光学特性，在药物递送和肿瘤治疗领域展现出巨大的应用潜力。

GO的二维平面结构和表面丰富的含氧官能团使其成为一种理想的药物递送平台。

• 超高载药量: GO的两个表面都可用于负载药物，其理论载药量远高于其它所有纳米载体。它特别适合于通过π-π堆积作用，高效负载具有芳香环结构的化疗药物（如阿霉素DOX）。
• pH响应释放: 负载在GO表面的药物，在肿瘤组织的酸性微环境下，其结合力会减弱，从而实现药物的靶向释放。
• 基因递送: 将GO表面修饰上正电荷聚合物（如PEI），可以使其通过静电作用与带负电的DNA或siRNA结合，形成复合物，用于基因的递送。

经过还原处理的氧化石墨烯（rGO）在近红外（NIR）光区具有强烈的吸收。

• 原理: 当近红外激光照射时，富集在肿瘤部位的rGO吸收光能并高效地将其转化为热量，使肿瘤局部温度快速升高，从而选择性地烧蚀癌细胞。
• 优势: 相比于贵金属等光热剂，石墨烯具有成本低、生物相容性好、载药能力强的优点，是构建光热-化疗协同治疗平台的理想选择。

石墨烯及其衍生物的生物安全性是一个极其复杂且至今仍存在争议的课题，其毒性高度依赖于其层数、横向尺寸、表面化学、纯度和剂量。

• 物理损伤: 大尺寸、边缘锋利的石墨烯片可能会像“纳米刀片”一样，通过物理切割的方式破坏细胞膜的完整性。
• “类纤维”效应: 尺寸非常大、在溶液中发生卷曲或折叠的石墨烯片，可能会表现出与纤维状材料类似的毒性，引发“受挫的吞噬作用”和慢性炎症。

• 氧化应激: 这是石墨烯家族材料最主要的细胞毒性机制。进入细胞后，它们可以诱导产生大量的活性氧（ROS），引发剧烈的氧化应激，导致线粒体损伤和细胞凋亡。
• 生物持久性: 石墨烯的sp²骨架极其稳定，在生理条件下被认为不可生物降解或降解极其缓慢。其长期在体内的命运、分布和潜在的蓄积毒性，是其走向临床应用前必须解决的关键问题。研究发现，在髓过氧化物酶（MPO）等生物酶的作用下，石墨烯可以被缓慢地氧化降解。

高质量、大尺寸的石墨烯的制备是其走向应用的基础，目前主流的合成方法分为“自上而下”和“自下而上”两类。

这类方法从三维的石墨出发，通过物理或化学手段将其剥离成单层或少数层的石墨烯。

• 微机械剥离法: 这是2004年首次获得石墨烯并因此获得诺贝尔奖的经典方法。通过使用透明胶带反复粘贴和剥离天然石墨的表面，可以获得高质量的单层石墨烯。该方法只适用于实验室研究。
• 氧化-还原法: 这是目前实现石墨烯大规模、低成本生产的最主要方法。
  1. 首先通过Hummers法等强氧化手段将石墨氧化为氧化石墨烯（GO）。
  2. 将GO分散在水中，通过超声处理，即可轻松地将其剥离成单层的GO片层。
  3. 最后通过化学还原剂（如水合肼）或热处理，将GO还原为还原氧化石墨烯（rGO）。rGO在性质上接近于原始石墨烯，但仍会残留部分含氧官能团和缺陷。

这类方法从原子或分子级别的碳源出发，通过化学反应“生长”出石墨烯。

• 化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition, CVD): 这是制备高质量、大面积、单层石墨烯薄膜的金标准方法。
  • 原理: 在高温（~1000 °C）、低压的反应室中，将含碳的气体前驱物（最常用的是甲烷CH₄）通到一片催化金属基底（最常用的是铜箔Cu）的表面。甲烷在铜表面催化裂解，碳原子溶解在铜表面并迁移，最终自组装成大面积的单层石墨烯薄膜。
  • 应用: CVD法制备的石墨烯是用于电子学和光电子学应用的理想材料。

对石墨烯的精确表征是确认其单层或少数层结构以及评估其质量的关键。

• 拉曼光谱 (Raman): 这是表征石墨烯层数和质量的最重要、最快捷、无损的技术。
  • G峰和2D峰: G峰（~1580 cm⁻¹）和2D峰（~2700 cm⁻¹）是石墨烯的两个主要特征峰。对于单层石墨烯，其2D峰是一个尖锐的、对称的单峰，且其强度（I₂ᴅ）远高于G峰的强度（Iɢ）（I₂ᴅ/Iɢ > 2）。随着层数的增加，2D峰会变宽、红移并分裂成多个峰，同时I₂ᴅ/Iɢ比值会急剧下降。
  • D峰: D峰（~1350 cm⁻¹）代表缺陷。D峰的强度是评价石墨烯结晶质量的关键参数，高质量的石墨烯D峰应该非常弱或不存在。
• 原子力显微镜 (AFM): 用于精确测量石墨烯的厚度，以确认其为单层（理论厚度~0.34 nm，实际测量值~1 nm）或少数层结构。
• 透射电子显微镜 (TEM): 用于直接观察石墨烯的原子级晶格结构和边缘形貌。

石墨烯的表面工程是其实现所有应用（特别是生物医学和催化应用）的前提，其核心任务是调控其表面化学和构建异质结构。

目标: 克服石墨烯的疏水性并引入功能性基团。

• 基于氧化石墨烯（GO）的功能化: 这是最常用的策略。GO表面天然富含大量的羧基（-COOH）和羟基（-OH）。这些基团不仅可以极大地提高其水溶性，更重要的是可以作为“化学手柄”，用于后续的EDC/NHS等偶联反应，连接药物、抗体、聚合物等各种功能分子。
• 非共价功能化: 利用石墨烯巨大的π共轭表面，通过π-π堆积或疏水相互作用，将表面活性剂、DNA、芳香族聚合物等分子物理吸附在其表面。这是一种温和、不破坏其完美sp²结构的修饰方法。

• 垂直异质结构: 将石墨烯与其它二维材料（如氮化硼BN, 二硫化钼MoS₂）像“三明治”一样堆叠起来，可以构建出具有全新物理特性的垂直异质结器件。
• 平面异质结构: 在同一片石墨烯上，通过选择性地掺杂或功能化，构建出p-n结等平面器件。