石墨烯结构

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1、石墨烯结构石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬;作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯(Graphene )是一种由碳原子构成的单层片六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成二维材料1。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在1，直至2004年，英国 曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁 诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离 出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同 获得2010年诺贝尔物理学奖2。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料3，它几乎是

2、完全透明的，只吸收%的光s.4；导热系数髙达5300 W/mK，髙于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率*超过15000 cm2/Vs，又比纳米碳管或硅晶体*髙，而电阻率只约10-6 Qcm,比铜或银更低，为目前世 上电阻率最小的材料1。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展 出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导 体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格 (honeycomb cryst

3、al lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键 所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphi te(石墨)+ -ene(烯类结尾)。石墨烯 被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯的结构非常稳定，碳碳键(carbon-carbonbond)仅为Å；。石墨烯内部的碳原 子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排 列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外， 石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作 用力十分强，在常温下，即使周围

4、碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨,木炭,碳纳米管和富勒烯。完美的石 墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形);如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯 的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管；另外石墨烯还被做成弹道晶体管(ballistic transistor)并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月，佐治亚理工学院研究员宣布,他 们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出 以石墨烯为基材的电路.石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最

5、薄的一种，质料非常牢固坚硬， 在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子 场论才能描绘。石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超 过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷 子”(electrie charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由 一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥 离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨 烯。1发展简史。第一：石墨烯是

6、迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制 成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜(厚度约100纳米)，那么它将能承受大约两吨 重物品的压力，而不至于断裂；第二：石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动 速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯的应用范围广阔。 根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超 轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有 可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更髙的电子 迁移率可以使未来的计算机获得更髙的速

7、度。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能 源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其髙传导性、髙比表面积，可适用于作为电极材 料助剂 石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德 烈杰姆和克斯特亚诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄 片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能 把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子 构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们 发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此，

8、两人在2010年获得诺贝尔物理 学奖。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、 超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在 石墨烯中，电子能够极为髙效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现 得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的 电脑芯片以这种方式浪费了 70%-80%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使 它具有了非同寻常的优良特性。2编辑本段石墨烯的结构sp2杂化碳质材料的基本组成单元石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，

9、它可以翘曲成零维(0D)的富勒 烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨 (graphite),因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料 中最稳定的苯六元环，是目前最理想的二维纳米材料.。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵， 可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电 子形成大n键，n电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是 形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。编辑本段石墨烯与其他碳元素的区别单层石墨烯及其派生

10、物在近20年中，碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣。自富勒烯和碳纳米管被科学家 发现以后，三维的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了完整的碳 系家族。其中石墨以其特殊的片层结构一直以来是研究的一个热点。石墨本体并非是真正意义 的二维材料，单层石墨碳原子层(Graphene)才是准二维结构的碳材料。石墨可以看成是多层石 墨烯片堆垛而成，而前面介绍过的碳纳米管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。当石墨烯的晶格 中存在五元环的晶格时，石墨烯片会发生翘曲，富勒球可以便看成通过多个六元环和五元环按照 适当顺序排列得到的。编辑本段石墨烯特性电子运输在发现石墨烯以前，大多数(如果不是所有

11、的话)物理学家认为，热力学涨落不允许任何 二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都 认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些 可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导 =2e²；/h,6e²；/h,10e²；/h.为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这 个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。导电性石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯 中各碳原子之间的连接非常

12、柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子 不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导 电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原 子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导 体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子(elec trie charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约的可见光。而这也

13、是石墨烯中载荷子相对论性的 体现。机械特性石墨烯是人类已知强度最髙的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要髙上100 倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中，他们选 取了一些直径在1020微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在 了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1一微米之间。之后，他们用金刚石制 成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力 居然达到了大约微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才

14、能使1微米长 的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约100纳米) 石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装 袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。电子的相互作用利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯伯克利国家实 验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着 强烈的相互作用。I科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源(ALS) ”电子同步加速器。这个 加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现， 石墨烯中的电

15、子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。化学性质我们至今关于石墨烯化学知道的是：类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分 子。从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。石 墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的 障碍：缺乏适用于传统化学方法的样品。这一点未得到解决，研究石墨烯化学将面临重重困难。 编辑本段制备方法石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向 附生法和加热SiC的方法；化学方法是化学还原法与化学解理法。微机械分离法最普通的是微机械分

16、离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年 Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。典型制备方法 是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶 体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片 来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。取向附生法一晶膜生长取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150 I下渗入钌， 然后冷却，冷却到850后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子 “孤岛”布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖80 %后， 第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就