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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(shí)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(gè)碳原子層厚度的石墨，碳原子-碳原子之間依靠共價(jià)鍵相連接而形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。完美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，引起科學(xué)界巨大興趣，成為材料科學(xué)研究熱點(diǎn)。

石墨烯結(jié)構(gòu)圖

石墨烯結(jié)構(gòu)

石墨烯指僅有一個(gè)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(gè)晶格內(nèi)有三個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)六邊單元實(shí)際上類似苯環(huán)，碳原子都貢獻(xiàn)出個(gè)一個(gè)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(shí)，碳原子面會(huì)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(jí)條帶形式存在。納米條帶中電荷橫向移動(dòng)時(shí)會(huì)在中性點(diǎn)附近產(chǎn)生一個(gè)能量勢(shì)壘，勢(shì)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(shì)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(qiáng)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(qiáng)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<span style="color: rgb(0, 0, 0); line-height: 150%; font-family: 宋體; font-size: 14pt;" mso-font-kerning:0.0000pt;mso-bidi-font-family:arial;"="">?K。三是具有超強(qiáng)的力學(xué)性，石墨烯的硬度超過金剛石，斷裂強(qiáng)度達(dá)到鋼鐵的100倍。四是具有超強(qiáng)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(qiáng)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。

3.1 石墨烯的光學(xué)性能

石墨烯是已知的世上最薄、最堅(jiān)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(shí)驗(yàn)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(fèi)米子理論，模擬石墨烯的透射率，可以得出與實(shí)驗(yàn)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(huì)顯示出不同的顏色和對(duì)比度，為石墨烯層數(shù)的辨別提供了方便。

理論和實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，也可解決銦資源稀缺對(duì)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(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，石墨烯對(duì)其的吸收會(huì)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(qiáng)光輻照下，由于其寬波段吸收和零帶隙的特點(diǎn)，石墨烯會(huì)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。

3.2 石墨烯的電學(xué)性能

石墨烯的每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道電子形成π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性。由于原子間作用力非常強(qiáng)，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(shí)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，為世上電阻率最小的材料。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(shí)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(qiáng)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(fèi)72%-81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會(huì)被損耗，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性。

3.3 石墨烯的力學(xué)性能

石墨烯是一直材料中強(qiáng)度和硬度最高的晶體結(jié)構(gòu)。其抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa。石墨烯的強(qiáng)度極限為42N/m²。理想石墨烯的強(qiáng)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(qiáng)材料，在復(fù)合材料領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3.4石墨烯的熱學(xué)性能

石墨烯的強(qiáng)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(diǎn)就震撼了物理界，主要是因?yàn)槭﹥?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(shí)，內(nèi)部的碳原子不會(huì)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(gè)原子或分子，當(dāng)氣體附著或脫離石墨烯表面時(shí)，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(jì)算表明，石墨烯與鋰可形成多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有極強(qiáng)的氫氣儲(chǔ)存能力。

3.5 石墨烯的磁學(xué)性能

石墨烯氫化以后往往會(huì)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(duì)電子對(duì)，這樣就使得石墨烯有磁性。研究人員還在有磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度為1T，當(dāng)溫度T＜90K 時(shí)，石墨烯會(huì)表現(xiàn)出順磁特性；當(dāng)溫度T＞90K 時(shí)，石墨烯會(huì)呈現(xiàn)出了反磁特性。

3.6 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(huì)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(shí)驗(yàn)，來發(fā)現(xiàn)石墨烯的規(guī)律，有了這條比較簡(jiǎn)單又方便的思想，在未來，石墨烯更多的化學(xué)性質(zhì)將會(huì)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