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石墨烯概念

石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來,、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體,。石墨烯狹義上指單層石墨，厚度為0.335nm,，僅有一層碳原子,。但實際上，10層以內(nèi)的石墨結(jié)構(gòu)也可稱作石墨烯,，而10層以上的則被稱為石墨薄膜,。單層石墨烯是指只有一個碳原子層厚度的石墨，碳原子-碳原子之間依靠共價鍵相連接而形成蜂窩狀結(jié)構(gòu),。**的石墨烯具有理想的二維晶體結(jié)構(gòu),，由六邊形晶格組成，理論比表面積高達(dá)2.6×102 m2 /g,。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能(3×103W/(m?K))和力學(xué)性能(1.06×103 GPa),。此外，石墨烯穩(wěn)定的正六邊形晶格結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的導(dǎo)電性,，室溫下的電子遷移率高達(dá)1.5×104 cm2 / (V·s),。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu),、突出的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和力學(xué)性能，目前成為材料科學(xué)研究熱點,。 

石墨烯結(jié)構(gòu)圖

石墨烯結(jié)構(gòu)

石墨烯指僅有一個原子尺度厚單層石墨層片,，由 sp2 雜化的碳原子緊密排列而成的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)。 石墨烯中碳 -碳鍵長約為 0.142nm,。每個晶格內(nèi)有三個σ鍵,，連接十分牢固形成了穩(wěn)定的六邊狀。垂直于晶面方向上的π鍵在石墨烯導(dǎo)電的過程中起到了很大的作用,。石墨烯是石墨,、碳納米管、富勒烯的基本組成單元,，可以將它看做一個無限大的芳香族分子,，平面多環(huán)烴的極限情況就是石墨烯。

形象來說,，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu),，看上去就像一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。在單層石墨烯中,，每個碳原子通過 sp2 雜化與周圍碳原子成鍵給構(gòu)整流變形,，每一個六邊單元實際上類似苯環(huán)，碳原子都貢獻(xiàn)出個一個未成鍵電子,。單層石墨烯厚度僅0.35nm ，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一,。

石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,，碳原子之間連接及其柔韌。受到外力時,，碳原子面會發(fā)生彎曲變形,，使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保證了自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,。

石墨烯是有限結(jié)構(gòu),，能夠以納米級條帶形式存在。納米條帶中電荷橫向移動時會在中性點附近產(chǎn)生一個能量勢壘,，勢壘隨條帶寬度的減小而增大。因此，通過控制石墨烯條帶的寬度便可以進(jìn)一步得到需要的勢壘,。這一特性是開發(fā)以石墨烯為基礎(chǔ)的電子器件的基礎(chǔ),。

石墨烯能帶結(jié)構(gòu)圖

石墨烯性能

石墨烯是一種超輕材料，面密度為0.77mg/m2,，的主要性能是： 一是具有超強的導(dǎo)電性,。石墨烯的電子遷移率比納米碳管或硅晶體高，是硅的100倍，在室溫下可以達(dá)到15 000cm2 /( V·s) ,。電阻率比鋁,、銅和銀低很多，只有10 ～ 6Ω·cm 左右,。二是具有超強的導(dǎo)熱性,。石墨烯的導(dǎo)熱性能優(yōu)于碳納米管，是銅,、鋁等金屬的數(shù)10倍,，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m?K。三是具有超強的力學(xué)性,，石墨烯的硬度超過金剛石,，斷裂強度達(dá)到鋼鐵的100倍。四是具有超強的透光性,。石墨烯的吸光率非常小,，透光率高達(dá)97. 7%。五是具有超強的比表面積,。石墨烯的比表面積每克比普通活性炭高出1130m2,，達(dá)到2630m2 /g。

石墨烯的光學(xué)性能

石墨烯是已知的世上*薄,、*堅硬的納米材料,，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光,，具有優(yōu)異的光學(xué)性能,。理論和實驗結(jié)果表明，單層石墨烯吸收2.3%的可見光,，即透過率為97.7%,。從基底到單層石墨烯、雙層石墨烯的可見光透射率依次相差2.3%,，因此可以根據(jù)石墨烯薄膜的可見光透射率來估算其層數(shù),。結(jié)合非交互狄拉克-費米子理論，模擬石墨烯的透射率,，可以得出與實驗數(shù)據(jù)相符的結(jié)果,。

根據(jù)折射和干涉原理，不同層數(shù)的石墨烯在光學(xué)顯微鏡下會顯示出不同的顏色和對比度,，為石墨烯層數(shù)的辨別提供了方便,。

理論和實驗表明大面積石墨烯薄膜同樣具有優(yōu)異的光學(xué)性能，且其光學(xué)特性歲石墨烯的厚度發(fā)生變化,。石墨烯薄膜是一種典型的透明導(dǎo)電薄膜,，可以取代氧化銦錫（ITO）,、摻氟氧化銦（FTO）等傳統(tǒng)薄膜材料，即可克服ITO薄膜的脆性缺點,，也可解決銦資源稀缺對應(yīng)用的限制等諸多問題,。石墨烯透明導(dǎo)電薄膜可作為染料敏化太陽能電池和液晶設(shè)備的窗口層電極。

另外,，當(dāng)入射光的強度超過某一臨界值時,，石墨烯對其的吸收會達(dá)到飽和。這一非線性光學(xué)行為成為飽和吸收,。在近紅外光譜區(qū),，在強光輻照下，由于其寬波段吸收和零帶隙的特點,，石墨烯會慢慢接近飽和吸收,。利用這一性質(zhì)，石墨烯可用于超快速光子學(xué),，如光纖激光器等,。

石墨烯的電學(xué)性能

石墨烯的每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個p軌道電子形成π鍵,，π電子可以自由移動,，賦予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性。由于原子間作用力非常強,，在常溫下,，即使周圍碳原子發(fā)生碰撞，石墨烯中的電子收到的干擾也很小,。電子在石墨烯中傳輸時不易發(fā)生散射,，傳輸效率1.5×105cm2/( V·s)，約為硅中電子遷移率的140倍,。其電導(dǎo)率可達(dá)106s/m，而電阻率只約10-6Ω·cm,，比銅或銀更低,，為世上電阻率*小的材料。因其電阻率極低,，電子遷移的速度極快,，因此被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管,。由于石墨烯實質(zhì)上是一種透明,、良好的導(dǎo)體，也適合用來制造透明觸控屏幕,、光板,、甚至是太陽能電池,。

石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾。人們發(fā)現(xiàn),，石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能,，超出鋼鐵數(shù)十倍的強度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命,。在石墨烯中,，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體,，例如硅和銅遠(yuǎn)沒有石墨烯表現(xiàn)得好,。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量,，2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費72%-81%的電能,，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗,，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性,。

石墨烯的力學(xué)性能

石墨烯是一直材料中強度和硬度* 高的晶體結(jié)構(gòu)。其抗拉強度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa,。石墨烯的強度極限為42N/m2,。理想石墨烯的強度約為普通鋼的100倍，面積為1m2的石墨烯層片可承受4kg的質(zhì)量,。石墨烯可作為一種典型的二維增強材料,，在復(fù)合材料領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

石墨烯的熱學(xué)性能

石墨烯的強度比金剛石還要硬,，在高溫下,，還能保持其原有的形態(tài)，從這一點就震撼了物理界,，主要是因為石墨烯內(nèi)碳原子排列是有規(guī)有律的,，當(dāng)施加外力作用于石墨烯時，內(nèi)部的碳原子不會發(fā)生位移,，只是發(fā)生了彎曲變形,，就可以抵 制外力，保證自己的穩(wěn)定性,。

石墨烯的室溫?zé)釋?dǎo)率是室溫下銅的熱導(dǎo)率的10倍多,，導(dǎo)熱系數(shù)高5300W/m?K，高于碳納米管和金剛石,。石墨烯的理論比表面積可達(dá)2630m2/g,，用石墨烯支撐的微傳感器可以感應(yīng)單個原子或分子，當(dāng)氣體附著或脫離石墨烯表面時,，吸附的分子改變了石墨烯的局部載流子濃度,，導(dǎo)致電阻發(fā)生階躍型變化,。這一特性可用于制作氣體傳感器。理論計算表明,，石墨烯與鋰可形成多孔復(fù)合結(jié)構(gòu),，具有極強的氫氣儲存能力。

 石墨烯的磁學(xué)性能

石墨烯氫化以后往往會具有鐵磁性,，主要是由于石墨烯在氫化以后,，在邊緣處有孤對電子對，這樣就使得石墨烯有磁性,。研究人員還在有磁場的情況下,，做過通過改變溫度，看能否讓石墨烯的磁性有所變化,。確定磁場強度為1T,，當(dāng)溫度T＜90K 時，石墨烯會表現(xiàn)出順磁特性,；當(dāng)溫度T＞90K 時,，石墨烯會呈現(xiàn)出了反磁特性。

石墨烯的化學(xué)性能

石墨烯的電子性質(zhì)受到了廣泛關(guān)注,，然而石墨烯的化學(xué)性質(zhì)卻一直無人問津,，至今關(guān)于石墨烯化學(xué)性能我們只知道的是：石墨烯可以將周圍的原子和分子進(jìn)行有序的吸附（例如：二氧化氮，氨,，鉀）,，這條性質(zhì)和我們所認(rèn)知的活性炭有些相似。二氧化氮,，氨,，鉀往往是被作為給體或受體，使得石墨烯內(nèi)部的碳原子濃度發(fā)生變化,，然而石墨烯本身就是一種導(dǎo)電材料,。其它的吸附物，如氫離子和氫氧根離子則會產(chǎn)生導(dǎo)電性很差的衍生物,，但這些都不是新的化合物,，只是石墨烯裝飾不同吸附物而已。由于石墨烯和石墨都是碳的同素異形體,，從化學(xué)的角度上來看，往往它們具有一些相同的性質(zhì),，所以在一些石墨烯不熟悉的領(lǐng)域可以通過石墨來進(jìn)行相應(yīng)的實驗,，來發(fā)現(xiàn)石墨烯的規(guī)律，有了這條比較簡單又方便的思想,，在未來,，石墨烯更多的化學(xué)性質(zhì)將會被挖掘出來,。

石墨烯的光學(xué)、電學(xué),、力學(xué)以及熱學(xué)特性示意圖

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