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1、2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈盖姆和康斯坦丁 诺沃肖洛夫，用高度定向 的热解石墨首次获得了独立存在的高质量石墨烯，打破了传统的物理学观点:二维晶体在常 温下不能稳定存在。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是一种碳原子 分布在二维蜂巢晶体点阵上的单原子层晶体。被认为是构建所有其他维数石墨材料的基本单 元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，如图所示。 石墨烯晶体C-C键长为0.142nm,每个碳原子4个价电子中的3个通过。键与临近的3个 碳原子相连，S、Px和Py3个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构。这些。键赋 予了石墨烯
2、极其优异的力学性质和结构刚性。拉伸强度高达130Gpa，破坏强度为42N/m, 杨氏模量为1.0TPa，断裂强度为125Gpa与碳纳米管相当。石墨烯的厚度仅为0.35nm左右， 是世界上最薄的二维材料。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚 1 毫米的石墨大约包含 300 万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。（百度 百科）石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石，是已知的世上最薄、最坚 硬的纳米材料。石墨烯结构示意图（10） 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体 管，用来生产未来的超级计算机。传统的半导体和导体，例如硅和铜，由于电子
3、和原子的碰 撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量， 2013 年一般的电脑芯片以这种方式 浪费了 72%-81%的电能。而在石墨烯中，每个碳原子都有一个垂直于碳原子平面的oz轨道 的未成键的p电子，在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大n键，可以在晶体中自 由高效的迁移，且运动速度高达光速的1/300，电子能量不会被损耗，赋予了石墨烯良好的 导电性。晶格平面两侧高度巡游的大n键电子又使其具有零带隙半导体和狄拉克载流子特 性宽频的光吸收和非线性光学性质, 以及室温下的量子霍尔效应等。常温下石墨烯电子迁移 率超过15000cm2/Vs,比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约为10-6Qcm
4、,比铜或银 更低，是世上电阻率最小的材料。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。这些优异的性能使石墨烯在太阳能电池、触摸屏、场效应晶体管、高频器件、自旋器件、场 发射材料、灵敏传感器、高性能电池和超级电容、微纳机电器件及复合材料诸多领域都有潜 在应用。石墨烯是新一代的透明导电材料,在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的ITO 薄膜相当，在其它波段，四层石墨烯的透过率远远高于ITO薄膜。石墨烯几乎是完全透明的， 透光率高达97.4%。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子（氢原子）也无法穿透。 并且石墨烯导热系数高达5300W/mK,高于碳纳米管和金刚石。这些特征使得它非常适合
5、 作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。 此外，石 墨烯具有超大的比表面积，理论值为263012gm；热导率达500011WKm，是金刚石的3倍；还具有零半导体特性、亚格子对称性、室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊 性质。同时，石墨烯还具有高平整性、热稳定性、相对轻的质量和相对稳定的化学性质等特 性，使得石墨烯成为理想的新型材料.作为碳纳米材料家族的新成员，石墨烯相对稳定的特 性和其具有的二维层状纳米结构使得石墨烯在催化、电子元件、气敏元件领域具有光明的应 用前景。而且研究发现，石墨烯在燃料电池领域中具有比其他碳纳米材料更优异的潜能，是 当前电极材料的极佳选择研究发
6、现石墨烯存在双极性电场效应，具有极大的载流子浓度， 超高的载流子迁移率和亚微米尺度的弹性输运等特性，这些优异的性能引起了物理学、材料 学、化学等科研领域的广泛关注。掀起了继富勒烯和碳纳米管后的又一次碳材料研究热潮。 石墨烯被称为“黑金”是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪” 极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。1（9）（2） 石墨烯独特的性能 与其电子能带结构紧密相关。石墨烯的每个晶胞由两个原子组成，产生两个锥顶点，使得每 个布里渊区里相对应的能带均能发生交叉，且交叉点附近的电子能E取决于波矢量。石墨烯 电子能带结构以独立碳原子为基，将周围碳原子产生的势作为
7、微扰，可以用矩阵的方法计算 出石墨烯的能级分布。在狄拉克点（Dirac Point）附近展开，可得能量与波矢呈线性关系（类 似于光子的色散关系），且在狄拉克点出现奇点（singularity）。这意味着在费米面附近，石 墨烯中电子的有效质量为零，这也解释了该材料独特的电学等性质。石墨烯电子能带结构 然而，由于石墨烯没有能带隙，使得其电导性不能像传统的半导体 一样完全被控制，而且石墨烯表面光滑且呈惰性，不利于与其他材料的复合，从而阻碍了石 墨烯的应用。近年来，研究者努力探索改善石墨烯性质的方法，其中，石墨烯掺氮在拓展石墨烯的应用领域方面起着关键作用。 石墨烯掺氮，可以打开能带隙并调整导电类型，改
8、变石墨烯的电 子结构，提高石墨烯的自由载流子密度，从而提高石墨烯的导电性能和稳定性。此外，在石墨烯的碳网格中引入含氮原子结构，可以增加石墨烯表面吸附金属粒子的活性位，从而增强金属粒子与石墨烯的相互作用。(6)石墨烯晶格常数n的实验值为0.246nm ,为了得到更准确的值 ，对其附近不同晶格常数的石墨烯进行了优化 ，结果如图1所示。从 图1可以看出，随着晶格常数a的增加，总能量Eg先减小后增大，最小值点对应的横坐 标就是石墨烯的最佳晶格常数，其值为0.2462nm，以下计算均采用此值。在石墨烯蜂窝状 平面上，共有3 个高对称吸附位 ，分别为顶位 (T ) 、桥位 (B ) 、间隙位 (H ) ，
9、它们分别 位于石墨烯碳原子的正上方、碳碳键正上方 、六边形碳环正上方 ，如图*2 791 60 -d 7*91.61留I齐同晶椿常数下就I石基燔的煞能董0.245 5OJ2-46O0.246 J 0.2470曙廿m4叮科滋妬玉-Hl他3张曲讨枚噬讨忆 的溯兄和那巴田S2 石墨埔皓构但是, 本征石墨烯零带隙的特点也给其在电子器件领域的应用带来了困难, 如漏电流大、开关比低等; 同时获得 p 型和 n 型石墨烯也是其应用于电子信息器件的必要条件. 因此对石墨烯可控的进行掺杂和能带调控具有极大挑战, 成为国际上研究的热点. 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
10、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, 图 1 为石墨烯的能带结构图. 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 （图 1）, 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。Q02BS 1 上圈:榔单醍石SAtttt帶的敝大00血右飞hN：打響烯抚抑克点位书10米舱级随舞撐敬 卷ftffjJft理图,/A/,.判/i仔别朵、本iF.fii
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