文 献 综 述
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。碳原子以sp2杂化组成六角形蜂巢晶格的二维材料，且只有一个碳原子厚度[1][2]。所以又叫做单原子层石墨。它的厚度大约为0.335nm，根据制备方式的不同而存在不同的起伏，通常在垂直方向的高度大约1nm左右，水平方向宽度大约10nm到25nm，是除金刚石以外所有碳晶体（零维富勒烯，一维碳纳米管，三维体向石墨）的基本结构单元。
石墨烯价格便宜，原料易得，且质量轻，理想比表面积大（2630 m2/g），导热性能好[3000 W/(m·K)]，拉伸模量和极限强度与单壁碳纳米管相当，同时由于其维数不同，石墨烯也有自己特有性质，如手性的载流子、量子隧穿效应、不会消失的电导率、二维零静止的Dirac费米子系统、迁移速度高的双极性电流、安德森局域化的弱化现象、半整数的量子霍尔效应及双层石墨烯的场效应，可望成为纳米复合材料的优质基体或填充材料，引起国内外对二维碳材料的研究热点[3]。
石墨烯掺杂的原理是本征石墨烯的价带和导带在布里渊区中心呈锥形接触,因此是零带隙的半导体或半金属;又由于其能量色散关系为线性,载流子有效质量为零,载流子运动方程要用含相对论效应的狄拉克方程描述,因此载流子称为狄拉克载流子.这种零带隙的能带结构容易受到各种因素,如外电场、表面吸附、晶格变形、晶格替换掺杂等的影响而发生改变,与半导体类似的形成掺杂效应,使石墨烯的费米面从狄拉克锥点进行上移或下移,从而使主要载流子变成电子型或空穴型,进而可以有效的打开石墨烯的带隙[1]。
掺杂可以将石墨烯的能带调节到p型或n型，近些年来化学气相沉积方法已经很好地制取了具有高质量和大面积的石墨烯层，这种方法已经相当的普遍，这给石墨烯掺杂的发展提供了充足的材料和基础，包括金属，小分子，化学反应和晶格原子替换的掺杂。而掺杂方法又可分为元素掺杂法，化合物掺杂法，碳质材料掺杂法[4]。
本课题主要研究的是元素掺杂法，通常采用退火热处理、离子轰击、电弧放电法等手段在石墨烯中掺入不同的元素,从而在石墨烯中形成取代缺陷、空位缺陷,保持石墨烯本征二维结构不变的同时其表面特性发生改变而赋予新的性能[5][12～14]，元素掺杂包括非金属元素掺杂和金属元素掺杂。非金属元素掺杂，顾名思义是在石墨烯上掺杂非金属元素纳米粒子，即该元素取代了碳原子的位置，在石墨烯上属于代位式杂质，形成了电子转移或电子空穴，主要为氮、硫、硼元素的掺杂。金属元素掺杂，即是金属纳米粒子掺杂。石墨烯具有上下两面的比表面积，作为支撑载体，可供金属纳米粒子反复地镶嵌与脱嵌的结构应变，可表现出良好的循环性能。同时金属纳米颗粒也具有较大的比表面积和强的催化性能[15-16]。所以此种掺杂法可使得制备出的纳米复合材料比表面积明显增大，更有利于电子迁移或储能、储氢空间的扩大以及催化活性的增强[4]。
- 掺杂石墨烯在传感器中的运用
随着科学技术的发展，特别是有机，石油化工等工业的快速发展，工业生产，农业生产以及人们生活中都在想环境排放越来越多的污染物，其中芳香类有机化合物分子是一类稳定性强，危害大，难以生物降解的物质，对这类污染物的治理始终都是当今环境领域研究的一个重要课题。而掺杂石墨烯在对相关的分子检测上，有着很优异的表现。
石墨烯具有sp2杂化的离域pi;键结构使其产生高导电性，所有的片层结构比表面积大，可作为良好的载体，有效增加传感器的富集能力，在电化学传感器领域深受关注[8][11]。石墨烯的比表面积大使得它对周围的环境十分敏感，即使一个只有一个有害气体分子被吸附或者释放，都可以被检测到。而经过X.L.Wei等人用N对石墨烯进行掺杂研究发现，在石墨烯进行掺杂后的传感器，要比原来没有掺杂的灵敏度高出很多，这就给了一个提高检测灵敏度的一个新的方向[1]。也是本课题主要研究的方向。
掺杂石墨烯作为传感器的原理在于对石墨烯进行适当的掺杂，使其对特定的条件（如；特定的气味分子，离子，甚至酶，生物大分子，压力，荧光等等）具有很强的敏感性。当敏感元件上吸附相应的有害物质分子后，其电阻就会发生改变，通过检测电阻变化就可以达到检测相应有害物质分子的目的。这样的敏感元件的选择性和灵敏性都非常高。另外还具有高分辨率、连续实时监测等优异性能。这就奠定了它向便携、耐用、可植入等方向发展的基础。
2.掺杂石墨烯作为催化剂在燃料电池中的运用
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