石墨烯相关知识

石墨烯材料的特性与应用石墨烯是一种由碳原子排列成的薄膜，属于二维材料。

它具有出色的导电性、热导性和力学性能，极高的比表面积和柔韧性使其成为许多领域的研究热点。

1. 石墨烯的结构和特性石墨烯的结构类似于一张网格，由一层厚度为一个原子的碳晶格组成。

这种构造使其具有出色的电子传输性能。

该材料的电荷载流子迁移速度非常快，比传统的材料如硅快几倍。

此外，石墨烯的热导率极高，可以有效地传递热量。

这些性质使其成为许多电子学和热学应用领域的理想材料。

2. 石墨烯的应用石墨烯已经在许多领域中得到广泛应用。

以下是一些重要的应用领域：2.1 电子学应用由于石墨烯具有出色的导电性，因此它在电子学领域有广泛的应用。

石墨烯可以用于制造电子元件，如晶体管、集成电路等。

它还可以用于制造光电元件和传感器，如透明导电膜和生物传感器。

2.2 储能材料石墨烯可以用于制造储能器件，如锂离子电池和超级电容器。

其高比表面积和出色的电荷传输速度可以提高储能器件的性能。

石墨烯也可以用于制备储氢材料，这对开发氢燃料电池具有重要意义。

2.3 纳米复合材料石墨烯可以用于制造各种纳米复合材料，如聚合物基复合材料、金属基复合材料等。

石墨烯可以加强复合材料的力学性能，并且可以用于保护材料免受化学和环境腐蚀。

2.4 生物医学应用石墨烯在生物医学领域中也有许多应用。

它可以用于制造药物载体、生物传感器和各种医用材料。

石墨烯也可以用于研究肿瘤及其他疾病的治疗方法，如光疗和热疗。

3. 石墨烯的未来发展石墨烯在各个领域的应用前景广阔。

目前，石墨烯的产量和生产成本仍然很高，生产技术也存在许多难题。

因此，石墨烯的商业化应用仍然需要更多的研究和开发。

未来，石墨烯的大规模生产技术将会得到进一步的发展，其在各个领域的应用将会更为广泛。

总之，石墨烯是一个有着巨大潜力的材料。

它的优异特性使其成为了高效电子器件和新型材料的重要材料，在未来将充满无限的发展和应用前景。

石墨烯：奇特的二维材料石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体材料，具有许多独特的物理和化学性质，被誉为21世纪最具潜力的材料之一。

石墨烯的发现开启了新材料领域的研究热潮，吸引了众多科学家和工程师的关注。

本文将介绍石墨烯的结构特点、性质以及应用前景，探讨这种奇特材料在各个领域的潜在应用价值。

石墨烯的结构特点石墨烯是由一个层层堆叠的碳原子构成的二维晶体结构，每个碳原子与周围三个碳原子形成sp2杂化键，呈现出类似蜂窝状的六角形结构。

这种紧密排列的结构使得石墨烯具有极高的强度和导电性，同时又非常轻薄灵活。

石墨烯的厚度仅为一个原子层，是目前已知最薄的材料之一，同时也是世界上最坚硬的材料之一。

石墨烯的物理性质石墨烯具有许多独特的物理性质，使其在各个领域都具有广泛的应用前景。

首先，石墨烯具有极高的导电性和热导率，远远超过传统材料如铜和铝。

这使得石墨烯在电子器件、传感器等领域具有巨大的潜在应用价值。

其次，石墨烯具有优异的机械性能，具有极高的强度和韧性，可以用于制备轻量化、高强度的复合材料。

此外，石墨烯还具有优异的光学性质，可以用于制备透明导电膜、光学器件等。

石墨烯的化学性质除了优异的物理性质外，石墨烯还具有许多独特的化学性质。

石墨烯具有极强的化学稳定性，可以在常温下稳定存在，不易与其他物质发生化学反应。

同时，石墨烯具有丰富的表面官能团，可以通过化学修饰实现对其性质的调控，拓展其在生物医药、环境保护等领域的应用。

此外，石墨烯还具有优异的吸附性能，可以用于吸附有害气体、重金属离子等。

石墨烯的应用前景由于其独特的结构和性质，石墨烯在各个领域都具有广泛的应用前景。

在电子器件领域，石墨烯可以用于制备高性能的场效应晶体管、柔性显示器等；在能源领域，石墨烯可以用于制备高效的锂离子电池、超级电容器等；在材料领域，石墨烯可以用于制备高强度、高导电性的复合材料；在生物医药领域，石墨烯可以用于制备药物载体、生物传感器等。

可以预见，随着石墨烯材料的不断研究和发展，其在各个领域的应用将会不断拓展，为人类社会带来更多的科技创新和发展机遇。

1.石墨烯（Graphene）的结构石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。

如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。

C原子外层3个电子通过sp²杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。

石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。

如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。

形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。

每个碳原子通过sp²杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。

图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。

图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。

前两类具有相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。

双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。

单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

石墨烯的性质及应用石墨烯是一种由碳原子通过共价键结合形成的二维晶体结构，具有一系列独特的性质和应用潜力。

以下将详细介绍石墨烯的性质和应用。

性质：1. 单层结构：石墨烯是由单层碳原子构成的二维晶体结构，在垂直方向上只有一个原子层，具有单层的特点。

2. 高强度：尽管石墨烯只有一个碳原子层，但其强度非常高。

石墨烯的破断强度远远超过钢铁，是已知最强硬的材料之一。

3. 高导电性：石墨烯的碳原子呈现出类似于蜂窝状的排列方式，使得电子能够在其表面自由传导。

石墨烯的电子迁移率是晶体硅的200倍以上，使得其具有非常高的导电性能。

4. 高热导性：由于石墨烯中的碳原子排列紧密，热量传递效率非常高。

石墨烯的热导率超过铜的13000倍，是已知最高的热导材料之一。

5. 弹性：石墨烯具有非常强的弹性，在拉伸过程中可以扩展到原始长度的20%以上，然后恢复到原始形状。

这种弹性使得石墨烯在柔性电子学和拉伸传感器等领域具有广泛应用。

应用：1. 电子器件：石墨烯的高导电性和高迁移率使其成为制造高速电子器件的理想材料。

石墨烯可以作为传统半导体材料的替代品，用于制造更小、更快的电子元件，如晶体管、电容器和电路等。

2. 透明导电膜：石墨烯具有优异的透明导电性能，可以制备成透明导电膜，用于制造触摸屏、显示器和太阳能电池等设备。

相比于传统的氧化铟锡(ITO)薄膜，石墨烯具有更好的柔性和耐久性。

3. 电池材料：石墨烯可以用作锂离子电池的电极材料，具有高电导性和高比表面积的优势。

石墨烯电极可以提高电池的充放电速度和储能密度，有望在电动汽车和可再生能源储存等领域得到应用。

4. 传感器：石墨烯具有优异的电子迁移率和极高的比表面积，使其成为制造高灵敏传感器的理想材料。

石墨烯传感器可以用于检测气体、压力、湿度和生物分子等，具有快速响应和高灵敏度的特点。

5. 柔性电子学：石墨烯的高强度和高弹性使其成为柔性电子学的重要组成部分。

石墨烯可以制备成柔性电路、柔性显示屏和柔性传感器等，有望应用于可穿戴设备、智能医疗和可卷曲设备等领域。

定义：石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。

是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。

石墨烯是人们发现的第一种由单层原子构成的材料。

发现者：安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)化学之最：最薄、最坚硬的纳米材料，电阻率最小的材料石墨烯用途：1、制造下一代超级计算机。

石墨烯是目前已知导电性能最好的材料，这种特性尤其适合于高频电路，石墨烯将是硅的替代品，可用来生产未来的超级计算机，使电脑运行速度更快、能耗降低。

2、制造“太空电梯”的缆线。

科学家幻想将来太空卫星要用缆线与地面联接起来，那时卫星就成了有线的风筝，科学家现在终于找到了可以制造这种太空缆线的特殊材料，这就是石墨烯。

3、可作为液晶显示材料。

石墨烯是一种“透明”的导体，可以用来替代现在的液晶显示材料，用于生产下一代电脑、电视、手机的显示屏。

4、制造新一代太阳能电池。

石墨烯透明导电膜对于包括中远红外线在内的所有红外线的高透明性，是转换效率非常高的新一代太阳能电池最理想材料。

5、制造光子传感器。

去年10月，IBM的一个研究小组首次展示了他们研制的石墨烯光电探测器。

6、制造医用消毒品和食品包装。

中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长，而人类细胞却不会受损。

利用石墨烯的这一特性可以制作绷带，食品包装，也可生产抗菌服装、床上用品等。

7、创制“新型超强材料”。

石墨烯与塑料复合，可以凭借韧性，兼具超薄、超柔和超轻特性，是下一代新型塑料。

8、石墨烯适合制作透明触摸屏、透光板。

9、制造晶体管集成电路。

石墨烯可取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料，而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。

10、制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，具有军事用途物理性质:电子迁移率15000cm2/(v s)杨氏模量1100GPa断裂强度130GPa导热系数5000W/(m K)理论比表面积2630m2/g可见光透过率≥97%知识补充：电子迁移率（electron mobility）是指在外电场作用下液态介质内的电子受到加速而迁移，称电子迁移。

石墨烯的性质与应用前景石墨烯是一种二维的碳材料，具有出色的物理、化学性质和广泛的应用前景。

它的结构由由单层碳原子组成的六角形格子构成，具有高强度、高导电性、高热导性、高透明度等特点。

由于其独特的性质，石墨烯被广泛关注，已被探索出许多应用前景。

一、石墨烯的物理性质1.高强度和韧性石墨烯的碳碳键强度高，相比其他材料更为坚硬，在温度范围内具有极高的韧性。

同时，由于石墨烯可以卷曲或扭曲形成纳米结构，因此还可以用于弯曲电子学和柔性电子器件。

2.高导电性和透明度石墨烯具有高导电性和透明度，是一种优良的导电薄膜材料。

在透明电子器件中应用广泛，因其透明度高、导电性能好、机械性能佳的特点，有望在LCD、电子纸及光电器件等领域得到广泛应用。

3.高热导性石墨烯具有非常好的热导性质，具有将热量快速传输的能力，可以作为高效的散热材料。

4.低能量损耗和高韧性石墨烯可以吸收大量的机械能，而不会发生断裂，同时石墨烯投工小，可以避免机械衰竭和损伤。

二、石墨烯的化学性质1.高化学稳定性石墨烯能够在多种化学液体中保持稳定，能够抵抗许多酸、碱的腐蚀，且不会被风化，具有很高的耐用性。

2.石墨烯的表面特性石墨烯在物理、化学反应过程中表现得非常活跃和敏感，可以广泛用于表面分析的研究领域，如传感器、化学电源器件等。

三、石墨烯的应用前景石墨烯是一种具有广泛应用前景的材料，特别是当被深度研究和开发出应用的技术后，其影响将会非常大。

1.电子学和光学应用由于石墨烯有极好的导电性和透明度，可以用于开发各种电子学和光学应用，如光伏电池、热电半导体、电子显示器、光电探测器、光电发射器等。

2.生物医学应用石墨烯因其大的比表面积和小的孔径，可以用于生物医学领域的细胞成像、药物释放和细胞分离，同时石墨烯具有出色的生物相容性。

3.电池和超级电容器的应用石墨烯作为电池和超级电容器的材料之一，具有很高的比容量、循环性能和导电性，可以用于开发微型化、高能量密度和长寿命的电池和超级电容器，具有广泛的应用前景。

石墨烯的物理性质及其应用石墨烯是由碳原子组成的二维材料，具有许多特殊的物理性质，如高导热性、高电导性、高透明度、高强度等，因此在科学研究和工业应用领域备受关注。

一、石墨烯的物理性质1.高导热性石墨烯具有超高的导热性能，可达到3000W/m·K，是传统导热材料的100倍以上。

2.高电导性石墨烯也具有超高的电导性，约为1000000S/m，是铜的约10倍。

3.高透明度石墨烯是一种几乎透明的材料，可透过大部分的可见光，透过率可达97.7%。

4.高强度石墨烯的强度非常高，其弹性模量约等于1300GPa，是钢的200倍。

5.独特的电子结构石墨烯具有独特的电子结构，呈现出带有马约拉纹的能带结构，使得其在电子输运方面具有非常特殊的性质。

二、石墨烯的应用1.半导体由于石墨烯拥有独特的电子结构和优异的电传输性能，因此可以应用于半导体领域，有望取代硅元件，开启下一代电子器件领域。

2.能源石墨烯的高导热性和高电导性，使其可以应用于能源领域。

比如可以用于太阳能电池、燃料电池等。

3.生物医疗石墨烯具有优异的生物相容性和生物降解性，可能成为未来生物医药领域的新材料。

可以应用于传感器、病毒检测、药物传递等领域。

4.航空航天石墨烯的高强度和轻质特性，使其成为理想的航空航天材料。

可以应用于制造飞机、火箭等部件。

5.3D打印石墨烯的高强度、高导电性和高导热性，使其成为3D打印领域的前景材料。

可以应用于打印电子器件、生物医学器械等。

综上所述，石墨烯具有许多优异的物理性质和应用前景。

在未来的科技发展中，石墨烯将成为一个备受关注的领域，许多应用将被推广和拓展。

石墨烯材料的性质及应用石墨烯是一种类似于石墨的二维材料，是由碳原子通过共价键连接成一个平面网络。

石墨烯的单层结构具有许多惊人的性质，如高导电性、高热导性、高强度、高柔韧性、高光学透明性等。

这些性质使得石墨烯材料在电子学、光学、能源、生物医学等领域应用极为广泛，有着巨大的潜力和市场前景。

1. 石墨烯的制备石墨烯最早是由英国的两位诺贝尔奖获得者安德里·海姆和康士坦丁·诺沃肖洛夫在2004年实验室中发现的。

目前，石墨烯的制备方法主要有以下几种：（1）机械剥离法机械剥离法是最早发现的石墨烯制备方法，其原理是通过石墨石材料的机械剥离可以获得单层石墨烯结构。

这种方法简单易行，但是有着较低的制备效率和较粗糙的表面。

（2）化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积法是一种典型的材料制备方法，通过在高温下将气相前体分子反应在金属基底上，可以实现石墨烯薄膜的制备。

该方法成品质量较高，但需要高成本设备和复杂操作。

（3）氧化还原法（GO/RGO）氧化还原法是用强酸处理粉末石墨制备氧化石墨（GO），再通过还原还原氧化石墨（RGO）的方法制备石墨烯的过程。

这种方法制备的石墨烯具有高度的可控性和高质量程度。

2. 石墨烯材料的性质石墨烯具有许多优异的性质和特点，使其成为当今材料科学中的新宠。

（1）高导电性石墨烯中的碳原子只有两个相邻的原子可以形成共价键，因此石墨烯的电子可以自由运动，电荷载流性能极佳。

它的电学性质趋近于一个理想的二维金属，因此在电子学、光学、能源、生物医学等领域被广泛应用。

（2）高热导性由于石墨烯中碳原子的高度紧密排列，热量可以快速传导。

与金属材料相比，石墨烯的热导率达到了非常高的数值，这种性质需要在热管理、电子冷却等应用中得到广泛应用。

（3）高强度和高柔性石墨烯具有极高的强度和柔性，在普通条件下可承受巨大的拉力和压力，同时保持材料的完整性，因此在制备微型机械、生物传感器等领域应用中具有很大的潜力。

石墨烯的性质及其应用石墨烯（Graphene）是一种新型的碳材料，由加拿大华裔诺贝尔物理学奖获得者、曾获得“爱因斯坦奖”的安德烈·海姆发现并提出。

石墨烯的发现，不仅是新型材料科学中的一次突破，更是开启了科学研究的新领域。

本文将着重介绍石墨烯的性质及其应用。

一、石墨烯的性质石墨烯是一种类似于石墨结构的一层碳原子构成的二维晶体，是一种非常薄的材料，只有原子的厚度，但是具有极高的强度和导电性。

石墨烯的基本结构是由晶格上的碳原子通过σ键和π键结合形成的，由于π键很强，使得石墨烯在普通条件下非常稳定。

石墨烯呈现出多种独特的性质，如强度和刚度，高导电性和热电性以及磁性等，这些性质使石墨烯成为一种理想的材料用于各种新型电子器件的制备。

二、石墨烯的应用1. 电子器件石墨烯的高导电性和热电性使它成为一种理想的电子器件制备材料，例如石墨烯晶体管，石墨烯集成电路和石墨烯探测器等，可以用于生产更快速和更节能的设备。

此外，石墨烯的支撑膜可以用于柔性电子器件，这种电子器件具有高度可曲性和摆动性，可以在很大程度上扩大制造电子器件的应用范围。

2. 能源和环保石墨烯的高导电性和热电性使得它成为一种很好的电池和超级电容器的电极材料，而且能使电池的使用寿命更长，容量更大。

石墨烯还可以用作太阳能电池，可以更有效地收集太阳能，对能源的开发将起到积极的作用。

此外，石墨烯还可以用于水处理，以及空气和水污染检测等应用。

3. 生物医学石墨烯的高度稳定性和生物相容性使得它成为一种理想的生物医学应用材料，例如石墨烯纳米药物载体，可以用于癌症和其他疾病的治疗，具有更广泛的临床应用前景。

此外，石墨烯还可以用于蛋白质分离和生物传感器等应用。

三、总结石墨烯是一种非常薄，但具有极高强度，导电性和热电性等多种独特性质的碳材料，其应用前景十分广泛。

石墨烯可以用于各种电子器件的制备，生产更快速和更节能的设备，同时也是一种优异的能源材料和生物医学应用材料。

石墨烯综述1.1石墨烯概述石墨烯(Graphene)作为一种平面无机纳米材料，在物理、化学、科技、数码方面的发展都是极具前景的。

它的出现为科学界带来极大的贡献，机械强度高，导热和导电功能极具优势，原材料来源即石墨也相当丰富，是制造聚合复合物的最佳无机纳米技术。

由于石墨烯的运用很广泛，导致在工业界的发展存在很严重的一个问题就是其制作过程规模浩大，所以应该将其合理地分散到相应的聚合物内部，达到均匀分布的效果，同时平衡聚合物之间的作用力。

石墨烯的内部结构是以碳原子以sp 2杂化而成的，是一种单原子结构的平面晶体，其以碳原子为核心的蜂窝状结构。

一个碳原子相应的只与非σ键以外的三个碳原子按照相应的顺序连接，而其他的π则相应的与其他的的碳原子的π电子有机地组成构成离域大π键，在这个离域范围内，电子的移动不受限制，因为此特性使得石墨烯导电性能优异。

另一方面，这样的蜂窝状结构也是其他碳材料的基础构成元素。

如图1-1 所示，单原子层的最外层石墨烯覆盖组成零维的富勒烯，任何形状的石墨烯均可以变化形成壁垒状的管状[1]。

因为在力学规律上，受限于二维晶体的波动性，所以任何状态的石墨烯都不是平整存在的，而是稍有褶皱，不论是沉积在最底层的还是不收区域限制的。

，如图1-2 所示，蒙特卡洛模拟（KMC）做出了相应的验证[3]。

上面所提的褶皱范围在横向和纵向上都存在差异，这种微观褶皱的存在会在一定程度上引起静电，所以单层的会很容易聚集起来。

同时，褶皱的程度也会相应的影响其光电性能[3-6]图1-1. 石墨烯:其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨[7]。


Figure 1-1. Graphene: the building material for other graphitic carbon materials. It can be wrapped up into 0D buckyballs, rolled into 1D nanotubes or stacked into 3D graphite[7].图 1-2. 单层石墨烯的典型构象[1]。

第一章石墨烯机能及相关概念之马矢奏春创作1石墨烯概念石墨烯（Graphene）是从石墨资估中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体.石墨烯狭义上指单层石墨,厚度为0.335nm,仅有一层碳原子.但实际上,10层以内的石墨机关也可称作石墨烯,而10层以上的则被称为石墨薄膜.单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨,碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状机关.完美的石墨烯具有理想的二维晶体机关,由六边形晶格组成,理论比概略积高达 2.6×102 m2 /g.石墨烯具有优良的导热机能(3×103W/(m•K))和力学机能(1.06×103 GPa).此外,石墨烯稳定的正六边形晶格机关使其具有优良的导电性,室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 /(V·s).石墨烯特殊的机关、凸起的导热导电机能和力学机能,引起科学界巨大兴趣,成为材料科学研究热点.石墨烯机关图2石墨烯机关石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片,由 sp2 杂化的碳原子慎密排列而成的蜂窝状晶体机关.石墨烯中碳 -碳键长约为0.142nm.每个晶格内有三个σ键,连接十分稳定形成了稳定的六边状.垂直于晶面标的目标上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的传染感动.石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的底子组成单元,可以将它看做一个无限大的芳香族分子,平面多环烃的极限情况就是石墨烯.形象来说,石墨烯是由单层碳原子慎密聚积成二维蜂窝状晶格机关,看上去就像一张六边形网格组成的平面.在单层石墨烯中,每个碳原子经由过程 sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形,每一个六边单元实际上相似苯环,碳原子都贡献出个一个未成键电子.单层石墨烯厚度仅0.35nm ,约为头发丝直径的二十万分之一.石墨烯的机关很是稳定,碳原子之间连接及其柔韧.受到外力时,碳原子面会产生弯曲变形,使碳原子不必从新排列来适应外力,从而包管了自身的机关稳定性.石墨烯是有限机关,能够以纳米级条带形式消掉.纳米条带中电荷横向移动时会在中性点临近产生一个能量势垒,势垒随条带宽度的减小而增大.是以,经由过程控制石墨烯条带的宽度即可以进一步得到需要的势垒.这一特点是开拓以石墨烯为根本的电子器件的根本.石墨烯能带机关图3石墨烯机能石墨烯是一种超轻材料,面密度为0.77mg/m2,的主要机能是：一是具有超强的导电性.石墨烯的电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高,是硅的100倍,在室温下可以达到15 000cm2 /( V·s) .电阻率比铝、铜和银低很多,只有10 ～6Ω·cm 旁边.二是具有超强的导热性.石墨烯的导热机能优于碳纳米管,是铜、铝等金属的数10倍,导热系数高达5300W/m•K.三是具有超强的力学性,石墨烯的硬度超出金刚石,断裂强度达到钢铁的100倍.四是具有超强的透光性.石墨烯的吸光率很是小,透光率高达97. 7%.五是具有超强的比概略积.石墨烯的比概略积每克比通俗活性炭超出跨越1130m2,达到2630m2 /g.3.1 石墨烯的光学机能石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,具有优良的光学机能.理论和实验成果标明,单层石墨烯吸收2.3%的可见光,即透过率为97.7%.从基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率依次相差2.3%,是以可以按照石墨烯薄膜的可见光透射率来预算其层数.结合非交互狄拉克-费米子理论,模拟石墨烯的透射率,可以得出与实验数据相符的成果.按照折射和干与道理,不合层数的石墨烯在光学显微镜下会显示出不合的颜色和比较度,为石墨烯层数的辩白供应了便利.理论和实验标明大面积石墨烯薄膜同样具有优良的光学机能,且其光学特点岁石墨烯的厚度产生变更.石墨烯薄膜是一种范例的透明导电薄膜,可以代替氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化铟（FTO）等传统薄膜材料,即可克服ITO薄膜的脆性缺点,也可解决铟本钱稀缺对应用的限制等诸多问题.石墨烯透明导电薄膜可作为染料敏化太阳能电池和液晶设备的窗口层电极.别的,当入射光的强度超出某一临界值时,石墨烯对其的吸收会达到饱和.这一非线性光学行为成为饱和吸收.在近红外光谱区,在强光辐照下,因为其宽波段吸收和零带隙的特点,石墨烯会慢慢接近饱和吸收.应用这一性质,石墨烯可用于超快速光子学,如光纤激光器等.3.2 石墨烯的电学机能石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化,并贡献残剩一个p轨道电子形成π键,π电子可以自由移动,赋予石墨烯优良的导电性.因为原子间传染感动力很是强,在常温下,即使周围碳原子产生碰撞,石墨烯中的电子收到的搅扰也很小.电子在石墨烯中传输时不随意马虎产生散射,传输效率1.5×105cm2/(V·s),约为硅中电子迁移率的140倍.其电导率可达106s/m,而电阻率只约10-6Ω·cm,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料.因其电阻率极低,电子迁移的速度极快,是以被等待可用来成长更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管.因为石墨烯本质上是一种透明、优胜的导体,也适合用来制作透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池.石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜.人们创造,石墨烯具有非同平凡的导电机能,超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性,它的消掉有望在现代电子科技范围激发一轮革命.在石墨烯中,电子能够极为高效地迁移,而传统的半导体和导体,例如硅和铜远没有石墨烯表示得好.因为电子和原子的碰撞,传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量,2013年一般的电脑芯片以这种办法浪费72%-81%的电能,石墨烯则不合,它的电子能量不会被损耗,这使它具有了非比平凡的优良特点.3.3 石墨烯的力学机能石墨烯是一贯资估中强度和硬度最高的晶体机关.其抗拉强度和弹性模量辨别为125GPa和1.1TPa.石墨烯的强度极限为42N/m2.理想石墨烯的强度约为通俗钢的100倍,面积为1m2的石墨烯层片可辞谢4kg的质量.石墨烯可作为一种范例的二维增强材料,在复合股料范围具有潜在的应用价值.3.4石墨烯的热学机能石墨烯的强度比金刚石还要硬,在低温下,还能保持其原有的形态,从这一点就震撼了物理界,主假如因为石墨烯内碳原子排列是有规有律的,当施加外力传染感动于石墨烯时,内部的碳原子不会产生位移,只是产生了弯曲变形,就可以抵制外力,包管本身的稳定性.石墨烯的室温热导率是室温下铜的热导率的10倍多,导热系数高5300W/m•K,高于碳纳米管和金刚石.石墨烯的理论比概略积可达2630m2/g,用石墨烯支撑的微传感器可以感应单个原子或分子,当气体附着或分开石墨烯概略时,吸附的分子修改了石墨烯的局部载流子浓度,导致电阻产生阶跃型变更.这一特点可用于制作气体传感器.理论计算标明,石墨烯与锂可形成多孔复合机关,具有极强的氢气储存才能.3.5 石墨烯的磁学机能石墨烯氢化往后往往会具有铁磁性,主假如因为石墨烯在氢化往后,在边沿处有孤对电子对,这样就使得石墨烯有磁性.研究人员还在有磁场的情况下,做过经由过程修改温度,看能否让石墨烯的磁性有所变更.确定磁场强度为1T,当温度T＜90K 时,石墨烯会表示出顺磁特点；当温度T＞90K 时,石墨烯会呈现出了反磁特点. 3.6 石墨烯的化学机能石墨烯的电子性质受到了广泛存眷,然而石墨烯的化学性质却一贯无人问津,至今关于石墨烯化学机能我们只知道的是：石墨烯可以将周围的原子和分子进行有序的吸附（例如：二氧化氮,氨,钾）,这条性质和我们所认知的活性炭有些相似.二氧化氮,氨,钾往往是被作为给体或受体,使得石墨烯内部的碳原子浓度产生变更,然而石墨烯本身就是一种导电材料.其它的吸附物,如氢离子和氢氧根离子则会产生导电性很差的衍生物,但这些都不是新的化合物,只是石墨烯装饰不合吸附物罢了.因为石墨烯和石墨都是碳的同素异形体,从化学的角度上来看,往往它们具有一些相同的性质,所以在一些石墨烯不熟悉的范围可以经由过程石墨来进行响应的实验,来创造石墨烯的规律,有了这条比较简单又便利的思惟,在未来,石墨烯更多的化学性质将会被开掘出来.石墨烯的光学、电学、力学以及热学特点示意图。

石墨烯：奇特的二维材料石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有许多奇特的性质和潜在的应用价值。

它的发现引起了科学界的广泛关注，并被誉为“二十一世纪最重要的材料之一”。

本文将介绍石墨烯的结构、性质以及其在各个领域的应用。

一、石墨烯的结构石墨烯由一个碳原子层构成，这些碳原子以六边形的形式排列，形成一个类似于蜂窝状的结构。

这种结构使得石墨烯具有很高的强度和导电性。

石墨烯的厚度只有一个原子层，因此被称为二维材料。

二、石墨烯的性质1. 强度和韧性：石墨烯具有很高的强度和韧性，是已知最强硬的材料之一。

它的强度是钢的200倍，但重量却只有钢的1/6。

2. 导电性：石墨烯是一种优秀的导电材料，电子在其表面上可以自由移动。

石墨烯的电导率是铜的几百倍，是硅的几千倍。

3. 热导性：石墨烯具有很高的热导性，是铜的几倍。

这使得石墨烯在热管理和散热领域具有广泛的应用前景。

4. 透明性：尽管石墨烯只有一个原子层的厚度，但它却是一种透明材料。

石墨烯对可见光的透过率高达97.7%，对紫外光和红外光也有很好的透过性。

5. 气体屏障性：石墨烯具有很好的气体屏障性能，可以阻止气体和水分的渗透。

这使得石墨烯在包装材料和防腐蚀领域具有潜在的应用价值。

三、石墨烯的应用1. 电子学领域：石墨烯在电子学领域具有广泛的应用前景。

由于其优异的导电性能，石墨烯可以用于制造更小、更快的电子器件，如晶体管和集成电路。

2. 光电子学领域：石墨烯的透明性和导电性使其在光电子学领域具有潜在的应用价值。

石墨烯可以用于制造柔性显示屏、太阳能电池和光传感器等设备。

3. 能源领域：石墨烯在能源领域有着广泛的应用前景。

石墨烯可以用于制造高效的锂离子电池和超级电容器，以及用于储能和催化反应的材料。

4. 材料科学领域：石墨烯在材料科学领域有着广泛的应用前景。

石墨烯可以用于制造高强度、轻质的复合材料，以及用于增强材料的性能。

5. 生物医学领域：石墨烯在生物医学领域具有潜在的应用价值。

高中物理石墨烯知识点2004年,Science杂志首次报道了曼彻斯特大学的AndreGeim和KonstantinNovoselov成功分离出稳定的石墨烯,并论述了石墨烯材料的基本性质他们关于石墨烯的研究被授予2010年诺贝尔物理奖,轰动世界,推动了石墨烯材料的研究,促进了石墨烯在物理化学材料生物医学和环境方面的研究。

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是当前发现的唯一一种二维自由态原子晶体,是除金刚石以外其他碳晶体的基本结构单元,具有许多极佳的电子及机械性能,是当前使用的材料中最薄强度最大导电和导热性能最好的一种纳米材料。

近年来,科学界对石墨烯的研究逐渐从石墨烯的制备研究转变到对石墨烯的应用研究,并对石墨烯在光电医学计算机晶体管等领域都进行了大量的研究,取得了较好的成果，其主要结构及特性如下。

(一)结构特征石墨烯是一种单原子层的碳二维纳米材料,其点阵结构是由碳六元环组成的二维蜂窝状,是构成其他石墨材料的基本单元,石墨烯主要分为单层石墨烯双层石墨烯少层石墨烯多层或厚层石墨烯4个类别石墨烯中每个碳原子之间都以很强的共价σ键相互结合,且相互成为120°的角度,其C—C键长大约为0.142nm,构成了特有的六角晶格,这种特殊的成键方式和结构使石墨烯成为史上最牢固的材料之一。

（二）导电特性石墨烯原子之间具有极强的相互作用力,在室温条件下,即使碳原子之间发生相互碰撞和挤压,石墨烯中的电子在轨道中移动时也不会发生散射,其电子受到的干扰也非常小,其电子迁移率可达到2x10^5cm^2/V·s，约为硅中电子迁移率的140倍,砷化镓的20倍,温度稳定性也较高,电导率可达10^8Ω/m,电阻约为31Ω/sq,比铜或银更低,是室温下导电最好的材料因此,石墨烯具有较好的导电性能。

（三）导热特性石墨烯的导热效应在高温时由光子传导,在低温时由其中的弹道传输所决定其热导率室温下是5000W·m^-1·K^-1,是硅的36倍,砷化镓的20倍,是铜在室温下的十倍多，因此,石墨烯的导热性是目前已知材料中最高的,这使石墨烯在许多微热电器件等领域有非常广阔的应用前景。

石墨烯石墨烯石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构，是一种“超级材料”，硬度超过钻石，同时又像橡胶一样可以伸展。

它的导电和导热性能超过任何铜线，重量几乎为零。

这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。

1 简介2 发现历史3 结构4 特性5 制备方法石墨烯石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。

石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。

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。

石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15 000 cm2/（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。

因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，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。

石墨烯立基于石墨，厚度极小，300万片石墨烯堆叠在一起的厚度也不过1毫米20世纪初，X射线晶体学创立以来，科学家就已经开始接触石墨烯了。

1918年，V. Kohlschütter和P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质（graphite oxide paper）。

1948年，G. Ruess和F. Vogt发表了最早用穿透式电子显微镜拍摄的少层石墨烯图像。

最初，科学家试着使用化学剥离法（chemical exfoliation method）来制造石墨烯。

1.石墨烯〔Graphene〕的构造石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。

如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞有两个原子，分别位于A和B的晶格上。

C原子外层3个电子通过sp²杂化形成强σ键〔蓝〕，相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键〔紫〕。

石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。

如图1.2所示，石墨烯是富勒烯〔0维〕、碳纳米管〔1维〕、石墨〔3维〕的根本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。

形象来说，石墨烯是由单层碳原子严密堆积成的二维蜂巢状的晶格构造，看上去就像由六边形网格构成的平面。

每个碳原子通过sp²杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都奉献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。

图 1.1〔a〕石墨烯中碳原子的成键形式〔b〕石墨烯的晶体构造。

图1.2石墨烯原子构造图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。

前两类具有相似的电子谱，均为零带隙构造半导体〔价带和导带相较于一点的半金属〕，具有空穴和电子两种形式的载流子。

双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙构造；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅构造，能使其晶体管呈示出明显的关态。

单层石墨烯〔Graphene〕：指由一层以苯环构造〔即六角形蜂巢构造〕周期性严密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

双层石墨烯〔Bilayer or double-layer graphene〕：指由两层以苯环构造〔即六角形蜂巢构造〕周期性严密堆积的碳原子以不同堆垛方式〔包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等〕堆垛构成的一种二维碳材料。