石墨烯基本知识

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。

第一章石墨烯性能及相关概念之迟辟智美创作1石墨烯概念石墨烯（Graphene）是从石墨资料中剥离出来、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层以内的石墨结构也可称作石墨烯，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结构.完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比概况积高达2.6×102 m2 /g.石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m•K))和力学性能(1.06×103 GPa).另外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构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).石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨年夜兴趣，成为资料科学研究热点.石墨烯结构图2石墨烯结构石墨烯指仅有一个原子标准厚单层石墨层片，由sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构.石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm.每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状.垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很年夜的作用.石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单位，可以将它看做一个无限年夜的芳香族分子，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紧密聚积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面.在单层石墨烯中，每个碳原子通过sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单位实际上类似苯环，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.石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧.受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不用重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性.石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带形式存在.纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近发生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增年夜.因此，通过控制石墨烯条带的宽度即可以进一步获得需要的势垒.这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础.石墨烯能带结构图3石墨烯性能石墨烯是一种超轻资料，面密度为0.77mg/m2，的主要性能是：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，在室温下可以到达15 000cm2 /( V·s) .电阻率比铝、铜和银低很多，只有10 ～6Ω·cm 左右.二是具有超强的导热性.石墨烯的导热性能优于碳纳米管，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，石墨烯的硬度超越金刚石，断裂强度到达钢铁的100倍.四是具有超强的透光性.石墨烯的吸光率非常小，透光率高达97. 7%.五是具有超强的比概况积.石墨烯的比概况积每克比普通活性炭高出1130m2，到达2630m2 /g.3.1 石墨烯的光学性能石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米资料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，具有优异的光学性能.理论和实验结果标明，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%，因此可以根据石墨烯薄膜的可见光透射率来估算其层数.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结果.根据折射和干涉原理，分歧层数的石墨烯在光学显微镜下会显示出分歧的颜色和比较度，为石墨烯层数的分辨提供了方便.理论和实验标明年夜面积石墨烯薄膜同样具有优异的光学性能，且其光学特性岁石墨烯的厚度发生变动.石墨烯薄膜是一种典范的透明导电薄膜，可以取代氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化铟（FTO）等传统薄膜资料，即可克服ITO薄膜的脆性缺点，也可解决铟资源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.另外，当入射光的强度超越某一临界值时，石墨烯对其的吸收会到达饱和.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，由于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.利用这一性质，石墨烯可用于超快速光子学，如光纤激光器等.3.2 石墨烯的电学性能石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性.由于原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生碰撞，石墨烯中的电子收到的干扰也很小.电子在石墨烯中传输时不容易发生散射，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资料.因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、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.石墨烯的呈现在科学界激起了巨年夜的波涛.人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超越钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的呈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暗示得好.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，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费72%-81%的电能，石墨烯则分歧，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性.3.3 石墨烯的力学性能石墨烯是一直资料中强度和硬度最高的晶体结构.其抗拉强度和弹性模量分别为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普通钢的100倍，面积为1m2的石墨烯层片可接受4kg的质量.石墨烯可作为一种典范的二维增强资料，在复合资料领域具有潜在的应用价值.石墨烯的强度比金刚石还要硬，在高温下，还能坚持其原有的形态，从这一点就震撼了物理界，主要是因为石墨烯内碳原子排列是有规有律的，当施加外力作用于石墨烯时，内部的碳原子不会发生位移，只是发生了弯曲变形，就可以抵抗外力，保证自己的稳定性.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.石墨烯的理论比概况积可达2630m2/g，用石墨烯支撑的微传感器可以感应单个原子或分子，当气体附着或脱离石墨烯概况时，吸附的分子改变了石墨烯的局部载流子浓度，招致电阻发生阶跃型变动.这一特性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结构，具有极强的氢气贮存能力.3.5 石墨烯的磁学性能石墨烯氢化以后往往会具有铁磁性，主要是由于石墨烯在氢化以后，在边缘处有孤对电子对，这样就使得石墨烯有磁性.研究人员还在有磁场的情况下，做过通过改变温度，看能否让石墨烯的磁性有所变动.确定磁场强度为1T，当温度T＜90K 时，石墨烯会暗示出顺磁特性；当温度T＞90K 时，石墨烯会呈现出了反磁特性.3.6 石墨烯的化学性能石墨烯的电子性质受到了广泛关注，然而石墨烯的化学性质却一直无人问津，至今关于石墨烯化学性能我们只知道的是：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发生变动，然而石墨烯自己就是一种导电资料.其它的吸附物，如氢离子和氢氧根离子则会发生导电性很差的衍生物，但这些都不是新的化合物，只是石墨烯装饰分歧吸附物而已.由于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领域可以通过石墨来进行相应的实验，来发现石墨烯的规律，有了这条比力简单又方便的思想，在未来，石墨烯更多的化学性质将会被挖掘出来.石墨烯的光学、电学、力学以及热学特性示意图。

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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，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。

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，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。

[1] 由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。

作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，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。

中文名石墨烯外文名Graphene 发现时间2004年主要制备方法机械剥离法、气相沉积法、氧化还原法、SiC外延法主要分类单层、双层、少层、多层（厚层）基本特性强度柔韧性、导热导电、光学性质应用领域物理、材料、电子信息、计算机等目录1 研究历史2 理化性质? 物理性质? 化学性质3 制备方法? 粉体生产方法? 薄膜生产方法4 主要分类? 单层石墨烯? 双层石墨烯? 少层石墨烯? 多层石墨烯5 主要应用? 基础研究? 晶体管? 柔性显示屏? 新能源电池? 航空航天? 感光元件? 复合材料6 发展前景? 中国? 美国? 欧洲? 韩国? 西班牙? 日本研究历史编辑实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。

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。

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。

第一章石墨烯性能及相关概念1 石墨烯概念石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、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层以内的石墨结构也可称作石墨烯，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结构。

完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比表面积高达2.6×102m2 /g。

石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m•K))和力学性能(1.06×103 GPa)。

此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构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)。

石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。

石墨烯结构图2 石墨烯结构石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片，由sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。

石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm。

每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。

垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。

石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，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紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。

在单层石墨烯中，每个碳原子通过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类似苯环，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。

石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧。

受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。

石墨烯以及导热性质的介绍文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]石墨烯以及导热性质的有关介绍石墨烯( Graphene)又叫单层石墨，是构造其他石墨材料的最基本的材料单元。

石墨稀是由ss2碳原子以蜂窝状晶格构成的二维单原子层结构。

每个碳原子周围有３个碳原子成键，键角120°；每个碳原子均为ss2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键。

在石墨烯中，碳原子在不停的振动，振动的幅度有可能超过其厚度。

其中最重要的石墨烯的晶格振动，不仅仅影响石墨烯的形貌特征，还影响的石墨烯的力学性质、输运特性、热学性质和光电性质。

对石墨烯的热学性质的影响主要是由于石墨烯晶格振动。

根据有关资料的显示，对石墨烯晶格振动的研究可利用价力场方法。

在价力场方法中，石墨烯内所有原子间的相互作用力可以分为键的伸缩力和键的弯曲力。

从经典的热学理论出发，对石墨烯的导热系数进行研究。

一、以下是石墨烯薄片的热通量有关的表达式:上面理论计算的导热系数主要由石墨烯的声子频率、声子的支数和声子的作用过程等决定。

从得出的结果出可以得出以下的图表：从图中看出来石墨烯的导热系数随温度的增加而减小。

在同一温度下，导热系数随石墨烯的宽度的增加而增加。

由经典的热传导理论可知，随着温度的升高，晶格振动加强，声子运动剧烈，热流中的声子数目也增加。

声子间的相互作用或碰撞更加频繁，原子偏离对平衡位置的振幅增大，引起的声子散射加剧，使导热载体(声子)的平均自由程减小。

这是石墨烯的导热系数随温度升高而降低的主要原因。

对于石墨烯，电子的运动对导热也有一定的贡献，但在高温情况下，晶格振动对石墨烯的导热贡献是主要的，起主导作用。

二、石墨烯的导热系数经验公式式中 Xg 是温度系数，L 是单层石墨烯的中间部分与散热片之间的距离，h 是单层石墨烯厚度，d 为单层石墨烯的宽度，δf 是G 峰位移，δP 是样品的热功率的变化。

从经验公式可以看出，石墨烯的导热系数主要受3不同宽度的石墨烯薄片的导热系个因数的影响: 单层石墨烯的尺寸效应，温度，石墨烯生长的基底材料。

石墨烯简介石墨烯简介（网络摘抄）概述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，成功从石墨中分离出石墨烯(Graphene)，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。

石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。

同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。

它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。

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。

用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。

另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。

这些特征使得它非常适合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。

作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，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。

石墨烯基本特性电子运输在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学家认为石墨烯，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”。

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]。

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。

石墨烯材料介绍1、简述石墨烯（Graphene）是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米，仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。

石墨烯的理论比表面积高达2 600m2Pg，具有突出的导热性能（3000W·m- 1·K- 1）和力学性能（1 060GPa），以及室温下较高的电子迁移率（15000cm2·V-1·s-1）。

此外，它的特殊结构，使其具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质，因而备受关注。

Graphene（石墨烯）是2004年由曼彻斯特大学科斯提亚·诺沃谢夫（Kostya Novoselov）和安德烈·盖姆（Andre Geim）发现的，他们使用的是一种被称为机械微应力技术（micromechanical cleavage）的简单方法。

正是这种简单的方法制备出来的简单物质一石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认识—任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在。

现在石墨火烯这种二维晶体不仅可以在室温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下。

石墨烯被称为“推动人类第四次工业革命”，“改变世界格局的材料之王”。

2、石墨烯特点1、力学性质——比钻石还要硬数据转换分析∶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2.9微牛。

据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1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。

打个比方说单层石墨烯的强度，就像把大象的重量铅笔才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一样厚度的石墨烯。

石墨烯的物理和化学特性研究石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体材料，具有许多独特的物理和化学性质。

它是一种非常薄的、透明的材料，但却非常坚硬和强度高。

该材料还具有良好的导电和导热性能，使其应用于多个领域，包括电子学、光电子学、化学、生物医学、能源等。

在本文中，我们将探索石墨烯的物理和化学特性以及这些特性的具体应用。

物理特性石墨烯具有强度高、较大的比表面积、透明度高等单独的性质，这些性质在纳米科技和无机材料中具有重要的作用。

石墨烯的物理特性主要包括以下内容：1、强度高：石墨烯单层的强度可以比铜的强度高200倍，是其他材料的强度的100倍左右。

2、透明度高：石墨烯单层的透光度达到97.7%。

3、导热性能好：石墨烯单层比铜导热系数高1300倍，比二氧化硅高1400倍，是导热系数最高的材料之一。

4、导电性能好：石墨烯单层具有非常优异的导电性，甚至可以媲美银和铜，而其电流密度可以达到200万安/平米。

这些特性使石墨烯成为一类非常特殊的材料，具有重要的潜在应用价值。

化学特性石墨烯的化学性质与普通的石墨材料相似。

然而，由于石墨烯是一个二维材料，在化学处理时，需要格外注意。

1、易氧化：石墨烯的表面易受到吸附氧气的影响，这可能导致它氧化，并失去一些原有的性能。

2、易受到污染物质的影响：石墨烯表面会受到污染物质的影响，容易生成新的杂质，从而影响其性能。

3、可以通过化学方法进行改变：石墨烯可以通过化学方法进行改变，例如可以改变其电性质、机械性质等。

这些特性表明石墨烯的化学性质既可以扩展其应用范围，也可以造成石墨烯的破坏。

石墨烯的应用近年来，石墨烯的应用领域已经开始进行广泛的研究。

石墨烯具有很多特性和应用前景，下面我们将介绍一些石墨烯的具体应用。

1、电子器件：石墨烯可以用于电子器件的制造，例如可以制造更快的电子元器件、更高效的太阳能电池、更先进的LED灯等。

2、催化剂：石墨烯具有卓越的催化性能，可以用于催化剂的制造。

例如，可以将其用于制造制氢催化剂、CO2捕捉催化剂等。