石墨烯基本特性

1、2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈蓋姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，用高度定向的熱解石墨首次獲得了獨(dú)立存在的高質(zhì)量石墨烯，打破了傳統(tǒng)的物理學(xué)觀點(diǎn):二維晶體在常溫下不能穩(wěn)定存在。兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯是一種碳原子分布在二維蜂巢晶體點(diǎn)陣上的單原子層晶體。被認(rèn)為是構(gòu)建所有其他維數(shù)石墨材料的基本單元，它可以包裹成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨，如圖所示。石墨烯晶體C-C鍵長為0.142nm,每個(gè)碳原子4個(gè)價(jià)電子中的3個(gè)通過。鍵與臨近的3個(gè)碳原子相連，S、Px和Py3個(gè)雜化軌道形成強(qiáng)的共價(jià)鍵合，組成sp2雜化結(jié)構(gòu)。這些。鍵賦予了石墨烯極其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)

2、和結(jié)構(gòu)剛性。拉伸強(qiáng)度高達(dá)130Gpa，破壞強(qiáng)度為42N/m,楊氏模量為1.0TPa，斷裂強(qiáng)度為125Gpa與碳納米管相當(dāng)。石墨烯的厚度僅為0.35nm左右，是世界上最薄的二維材料。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。（百度百科）石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強(qiáng)100倍，甚至還要超過鉆石，是已知的世上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料。石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖（10）石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅，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

3、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)了72%-81%的電能。而在石墨烯中，每個(gè)碳原子都有一個(gè)垂直于碳原子平面的oz軌道的未成鍵的p電子，在晶格平面兩側(cè)如苯環(huán)一樣形成高度巡游的大n鍵，可以在晶體中自由高效的遷移，且運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)光速的1/300，電子能量不會(huì)被損耗，賦予了石墨烯良好的導(dǎo)電性。晶格平面兩側(cè)高度巡游的大n鍵電子又使其具有零帶隙半導(dǎo)體和狄拉克載流子特性寬頻的光吸收和非線性光學(xué)性質(zhì),以及室溫下的量子霍爾效應(yīng)等。常溫下石墨烯電子遷移率超過15000cm2/Vs,比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約為10-6Qcm,比銅或銀更低，是世上電阻率最小的材料。用石墨烯取代硅，計(jì)算

4、機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)百倍。這些優(yōu)異的性能使石墨烯在太陽能電池、觸摸屏、場效應(yīng)晶體管、高頻器件、自旋器件、場發(fā)射材料、靈敏傳感器、高性能電池和超級(jí)電容、微納機(jī)電器件及復(fù)合材料諸多領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用。石墨烯是新一代的透明導(dǎo)電材料,在可見光區(qū)，四層石墨烯的透過率與傳統(tǒng)的ITO薄膜相當(dāng)，在其它波段，四層石墨烯的透過率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ITO薄膜。石墨烯幾乎是完全透明的，透光率高達(dá)97.4%。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子（氫原子）也無法穿透。并且石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/mK,高于碳納米管和金剛石。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。此外，

5、石墨烯具有超大的比表面積，理論值為263012gm；熱導(dǎo)率達(dá)500011WKm，是金剛石的3倍；還具有零半導(dǎo)體特性、亞格子對稱性、室溫量子霍爾效應(yīng)及室溫鐵磁性等特殊性質(zhì)。同時(shí)，石墨烯還具有高平整性、熱穩(wěn)定性、相對輕的質(zhì)量和相對穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)等特性，使得石墨烯成為理想的新型材料.作為碳納米材料家族的新成員，石墨烯相對穩(wěn)定的特性和其具有的二維層狀納米結(jié)構(gòu)使得石墨烯在催化、電子元件、氣敏元件領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景。而且研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯在燃料電池領(lǐng)域中具有比其他碳納米材料更優(yōu)異的潛能，是當(dāng)前電極材料的極佳選擇研究發(fā)現(xiàn)石墨烯存在雙極性電場效應(yīng)，具有極大的載流子濃度，超高的載流子遷移率和亞微米尺度的彈性輸

6、運(yùn)等特性，這些優(yōu)異的性能引起了物理學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)等科研領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。掀起了繼富勒烯和碳納米管后的又一次碳材料研究熱潮。石墨烯被稱為“黑金”是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。1（9）（2）石墨烯獨(dú)特的性能與其電子能帶結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。石墨烯的每個(gè)晶胞由兩個(gè)原子組成，產(chǎn)生兩個(gè)錐頂點(diǎn)，使得每個(gè)布里淵區(qū)里相對應(yīng)的能帶均能發(fā)生交叉，且交叉點(diǎn)附近的電子能E取決于波矢量。石墨烯電子能帶結(jié)構(gòu)以獨(dú)立碳原子為基，將周圍碳原子產(chǎn)生的勢作為微擾，可以用矩陣的方法計(jì)算出石墨烯的能級(jí)分布。在狄拉克點(diǎn)（DiracPoint）附近展開，可得能量與波矢

7、呈線性關(guān)系（類似于光子的色散關(guān)系），且在狄拉克點(diǎn)出現(xiàn)奇點(diǎn)（singularity）。這意味著在費(fèi)米面附近，石墨烯中電子的有效質(zhì)量為零，這也解釋了該材料獨(dú)特的電學(xué)等性質(zhì)。石墨烯電子能帶結(jié)構(gòu)然而，由于石墨烯沒有能帶隙，使得其電導(dǎo)性不能像傳統(tǒng)的半導(dǎo)體一樣完全被控制，而且石墨烯表面光滑且呈惰性，不利于與其他材料的復(fù)合，從而阻礙了石墨烯的應(yīng)用。近年來，研究者努力探索改善石墨烯性質(zhì)的方法，其中，石墨烯摻氮在拓展石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域方面起著關(guān)鍵作用。石墨烯摻氮，可以打開能帶隙并調(diào)整導(dǎo)電類型，改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，提高石墨烯的自由載流子密度，從而提高石墨烯的導(dǎo)電性能和穩(wěn)定性。此外，在石墨烯的碳網(wǎng)格中引入含氮原子結(jié)

8、構(gòu)，可以增加石墨烯表面吸附金屬粒子的活性位，從而增強(qiáng)金屬粒子與石墨烯的相互作用。(6)石墨烯晶格常數(shù)n的實(shí)驗(yàn)值為0.246nm,為了得到更準(zhǔn)確的值，對其附近不同晶格常數(shù)的石墨烯進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，隨著晶格常數(shù)a的增加，總能量Eg先減小后增大，最小值點(diǎn)對應(yīng)的橫坐標(biāo)就是石墨烯的最佳晶格常數(shù)，其值為0.2462nm，以下計(jì)算均采用此值。在石墨烯蜂窩狀平面上，共有3個(gè)高對稱吸附位，分別為頂位(T)、橋位(B)、間隙位(H)，它們分別位于石墨烯碳原子的正上方、碳碳鍵正上方、六邊形碳環(huán)正上方，如圖*279160-d7*91.61留I齊同晶椿常數(shù)下就I石基燔的煞能董0.2455OJ2

9、-46O0.246J0.2470曙廿m4?？谱虋佊?Hl他3張曲討枚噬討憶的溯兄和那巴田S2石墨埔皓構(gòu)但是,本征石墨烯零帶隙的特點(diǎn)也給其在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了困難,如漏電流大、開關(guān)比低等;同時(shí)獲得p型和n型石墨烯也是其應(yīng)用于電子信息器件的必要條件.因此對石墨烯可控的進(jìn)行摻雜和能帶調(diào)控具有極大挑戰(zhàn),成為國際上研究的熱點(diǎn).本征石墨烯的價(jià)帶和導(dǎo)帶在布里淵區(qū)中心呈錐形接觸,因此是零帶隙的半導(dǎo)體或半金屬;又由于其能量色散關(guān)系為線性,載流子有效質(zhì)量為零,載流子運(yùn)動(dòng)方程要用含相對論效應(yīng)的狄拉克方程描述,因此載流子稱為狄拉克載流子,圖1為石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)圖.這種零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)容易受到各種因素,如外電場、

10、表面吸附、晶格變形、晶格替換摻雜等的影響而發(fā)生改變,與半導(dǎo)體類似的形成摻雜效應(yīng),使石墨烯的費(fèi)米面從狄拉克錐點(diǎn)進(jìn)行上移或下移（圖1）,從而使主要載流子變成電子型或空穴型,進(jìn)而可以有效的打開石墨烯的帶隙。Q02BS1上圈:榔單醍石SAtttt帶的敝大00血右飛hN：打響烯撫抑克點(diǎn)位書10米艙級(jí)隨舞撐敬卷ftffjJft理圖,/A/,.判/i仔別朵、本iF.fiipWjSWi眾曙心Figure1Top：diebandhmiciurcofgmplicncintlichancycomblatlicc(leftaiul?oi)hi-lhofheenergybandscloseh)one門tlhe門imrpoinls(right).BuUihu:asd