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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)的石墨結構也可稱作石墨烯，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構。**的石墨烯具有理想的二維晶體結構，由六邊形晶格組成，理論比表面積高達2.6×102 m2 /g。石墨烯具有優(yōu)異的導熱性能(3×103W/(m?K))和力學性能(1.06×103 GPa)。此外，石墨烯穩(wěn)定的正六邊形晶格結構使其具有優(yōu)良的導電性，室溫下的電子遷移率高達1.5×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的結構、突出的導熱導電性能和力學性能，目前成為材料科學研究熱點。 

石墨烯結構圖

石墨烯結構

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構。 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構，看上去就像一張六邊形網(wǎng)格構成的平面。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。

石墨烯的結構非常穩(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外力，從而保證了自身的結構穩(wěn)定性。

石墨烯是有限結構，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一步得到需要的勢壘。這一特性是開發(fā)以石墨烯為基礎的電子器件的基礎。

石墨烯能帶結構圖

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。二是具有超強的導熱性。石墨烯的導熱性能優(yōu)于碳納米管，是銅、鋁等金屬的數(shù)10倍，導熱系數(shù)高達5300W/m?K。三是具有超強的力學性，石墨烯的硬度超過金剛石，斷裂強度達到鋼鐵的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，達到2630m2 /g。

石墨烯的光學性能

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)異的光學性能。理論和實驗結果表明，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)相符的結果。

根據(jù)折射和干涉原理，不同層數(shù)的石墨烯在光學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)異的光學性能，且其光學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用的限制等諸多問題。石墨烯透明導電薄膜可作為染料敏化太陽能電池和液晶設備的窗口層電極。

另外，當入射光的強度超過某一臨界值時，石墨烯對其的吸收會達到飽和。這一非線性光學行為成為飽和吸收。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，如光纖激光器等。

石墨烯的電學性能

石墨烯的每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個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。其電導率可達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)的半導體和導體，例如硅和銅遠沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導體和導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。

石墨烯的力學性能

石墨烯是一直材料中強度和硬度* 高的晶體結構。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，在復合材料領域具有潛在的應用價值。

石墨烯的熱學性能

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。

石墨烯的室溫熱導率是室溫下銅的熱導率的10倍多，導熱系數(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2630m2/g，用石墨烯支撐的微傳感器可以感應單個原子或分子，當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合結構，具有極強的氫氣儲存能力。

 石墨烯的磁學性能

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，當溫度T＜90K 時，石墨烯會表現(xiàn)出順磁特性；當溫度T＞90K 時，石墨烯會呈現(xiàn)出了反磁特性。

石墨烯的化學性能

石墨烯的電子性質(zhì)受到了廣泛關注，然而石墨烯的化學性質(zhì)卻一直無人問津，至今關于石墨烯化學性能我們只知道的是：石墨烯可以將周圍的原子和分子進行有序的吸附（例如：二氧化氮，氨，鉀），這條性質(zhì)和我們所認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域可以通過石墨來進行相應的實驗，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，石墨烯更多的化學性質(zhì)將會被挖掘出來。

石墨烯的光學、電學、力學以及熱學特性示意圖

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