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一、石墨烯概述石墨烯（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，其厚度只有0.335纳米，仅为头发的20万分之一。
被认为是构建其它维数碳质材料（如0维富勒烯、1维纳米碳管、3维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学特性。
石墨烯材料分为两类，一类是由单层或多层石墨烯构成的薄膜，另一种是由多层石墨烯构成的微片。
石墨烯薄膜又分为单晶薄膜和多晶薄膜。
石墨烯是目前最薄也是最坚硬的纳米材料，同时具备透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域应用，是最有前景的先进材料之一。
二、石墨烯的优异性能1.理论比表面积高达2600m2/g VS活性炭1000~1800 m2/g2.导热系数高达5300 W/m·k VS铜400 W/m·k3.电子迁移率超过15000cm2/V·s VS硅1400 cm2/V·s4.电阻率约10-6Ω·cm5.透光率高达98%6.实测弹性模量为1060Gpa7.良好的结晶性8.半整数的量子霍尔效应9.永不消失的电导率三、石墨烯的应用前景3.1石墨烯良好的电导性能和透光性能，使其在透明电导电极方面有非常好的应用前景，石墨烯不仅可以制成太阳能电池用的透明电极，同时还可以用作插入半导体层之间的中间电极。
石墨烯最能发挥威力的领域是有机薄膜太阳能电池领域。
3.2石墨烯还有望成为新型高效的超级电容器电极材料，研究表明，石墨烯超级电容器的充放电速度比传统电池快1000倍。
这种新颖的石墨烯微型电容器有望应用于MEMS系统、便携式电子设备、无线传感网络、柔性显示器，以及其多种生物体内电子设备的储能器件。
3.3触摸屏是石墨烯未来应用的又一大热点。
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，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，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。
石墨烯目前是世上最薄却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15000 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，为目前世上电阻率最小的材料（仅限常温下，肯定比不过超导）。
因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，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 crystal 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graphite(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-carbon bond）仅为1.42Å。
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。
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。
关于石墨烯的相关知识1、石墨烯概述自从2004年英国的K.S.Novoselov和A.K.Geim发现了石墨烯（RGO）以后，它就成为了碳材料界的新星，在理论和实验方面开发它的可能性应用引起了很大的热潮。
石墨烯是由单层碳原子紧密排列堆积而成的二维蜂窝状平面晶格结构，它是构建其它维度碳材料的基本单元，它不但可以分解成零维的富勒烯[1]，卷曲成一维的碳纳米管[2]，而且还可以堆叠成金刚石和石墨[3]。
图1 石墨烯与富勒烯、碳纳米管和石墨的结构关系示意图[4]石墨烯由于其特殊的单原子层结构使得其拥有很多独特的物化性能，如优异的导电导热性能、超大的比表面积、良好的机械性能等，它的导热能力是金刚石的3倍[5]，且由于其各碳原子之间以共价键的形式结合，连接非常柔软，即使有外力的作用依旧可以保持很好的稳定性。
石墨烯的这些特殊性能使得其在多方面领域发挥着很大的作用，例如在太阳能电池、微电子装置、液体结晶设备、传感器和复合材料方面都有着广泛的应用前景。
1.1石墨烯的制备石墨烯的制备方法主要有物理法和化学法。
物理法通常是以石墨或者膨胀石墨作为原料，通过机械剥离法、取向附生法、液相或气相直接剥离法等制备石墨烯，物理法制备石墨烯主要有操作简便、原料价格低廉、生成的石墨烯缺陷较少等优点。
而化学方法主要有化学还原法、化学气相沉积法等。
（1）机械剥离法机械剥离法[6]是通过施加机械力直接将石墨烯薄片从晶体上剥离下来，是最简单的一种方法。
2004年K.S.Novoselov等[7]就是采用机械剥离法利用离子束从高定向热解石墨上剥离下来石墨烯并观察到其单层结构。
机械剥离法制备出来的石墨烯虽然纯度较高、缺陷较少，但是尺寸不容易控制，不能准确地制备出足够长度的石墨烯，难以进行大规模生产。
（2）取向附生法取向附生法是利用稀有金属钌作为生长基质，通过基质的原子结构来生成石墨烯。
Peter W.Sutter等以钌为基底，高温下将C原子渗入钌中，冷却后大量的C 原子浮在钌表面，最终形成一片完整的石墨烯。
石墨烯知识点《嘿，聊聊石墨烯那些事儿》石墨烯，听到这个词，可能很多人会一头雾水，这是个啥玩意儿？嘿嘿，其实它可神奇着呢，让我来给你好好唠唠。
石墨烯啊，就像是微观世界里的超级英雄。
你可以把它想象成是由一层碳原子组成的薄片状的神奇材料。
它特别特别薄，薄到你无法想象，只有一个原子那么厚。
那到底有多薄呢？这么说吧，就好像是把一个足球场上的草皮压缩成一根头发丝那么细的程度。
这玩意儿的厉害之处可多了去了。
首先呢，它的导电性那叫一个强啊，就跟闪电似的，电流在它里面那叫一个畅通无阻。
你说要是以后家里的电线都换成石墨烯做的，那咱充电得快成啥样啊，估计眨个眼的功夫手机就满电了吧。
还有还有，它的强度那也是杠杠的。
就好像是个大力士，能扛起超重的东西。
要是用它来做材料，那做出来的东西岂不是坚不可摧？说不定以后盖房子都能用石墨烯呢，那盖出来的房子肯定坚固无比，就算来个大地震都不怕。
说起石墨烯，我就想到有一次我给我朋友讲这个。
我把石墨烯的特性说得那叫一个天花乱坠，就差没把它说成能上天入地了。
结果我这朋友一脸懵地看着我问：“这么牛的东西，那它能做啥好吃的不？”哎呀，把我给乐得呀，差点没笑岔气。
不过想想也是，对于普通人来说，可能更关心的是这些高科技玩意能不能跟日常生活挂上钩，能不能给我们带来点实实在在的好处。
其实啊，石墨烯离我们的生活并不遥远。
现在已经有很多研究在探索它在各个领域的应用了。
比如在电子设备方面，让我们的手机、电脑更薄更快；在能源方面，帮助我们开发更高效的电池；在医疗方面，说不定还能用来制造更先进的医疗器械呢。
总之，石墨烯就是个充满无限可能的玩意儿。
虽然它现在还没有完全走进我们的生活，但我相信，在不久的将来，它肯定会在各个领域大放异彩，改变我们的生活。
到时候，我们就可以美滋滋地享受石墨烯带来的便利啦。
所以啊，大家可别急，就慢慢等着看这个微观世界的超级英雄怎么在我们的生活里大显身手吧！。
WORD整理版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。
专业学习参考资料WORD整理版图 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。
少层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由 3-10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ABC 堆垛， ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
石墨烯（ Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少专业学习参考资料WORD整理版层石墨烯的统称。
由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱，蒙特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。
这种微观褶皱在横向上的尺度在8~10nm范围内，纵向尺度大概为 0.7~1.0nm。
这种三维的变化可引起静电的产生，所以使石墨单层容易聚集。
同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学及光学性质也不同。
图 1.3 单层石墨烯的典型构象除了表面褶皱之外，在实际中石墨烯也不是完美存在的，而是会有各种形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元环，七元环等）、空洞、边缘、裂纹、杂原子等。
这些缺陷会影响石墨烯的本征性能，如电学性能、力学性能等。
但是通过一些人为的方法，如高能射线照射，化学处理等引入缺陷，却能有意的改变石墨烯的本征性能，从而制备出不同性能要求的石墨烯器件。
2.石墨烯的性质2.1 力学特性在石墨烯二维平面内, 每一个碳原子都以σ 键同相邻的三个碳原子相连, 相邻两个键之间的夹角120°，键长约为0.142nm,这些 C-C键使石墨烯具有良好的结构刚性，石墨烯是世界上已知的最牢固的材料, 其本征（断裂）强度可达130GPa,是钢的 100多倍 , 杨氏（拉伸）模量为 1100GPa。
如此高强轻质的薄膜材料, 有望用于航空航天等众多领域。
2.2 电学特性石墨烯的每个晶格内有三个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。
π 电子在平面内专业学习参考资料WORD整理版可以自由移动, 使石墨烯具有良好的导电性石墨烯独特的结构使其具有室温半整数量子霍尔效应，双极性电场效应，超导电性，高载流子率等优异的电学性质，其载流子率在室温下可达到 1.5 ×cm2. .。
电子能量电子能量电子能量导带导带禁导带重叠带带禁价带价带价带图 2.1 绝缘体，导体，半导体的能带结构图 2.2 石墨烯能带结构2.2.1石墨烯能带结构当绝对零度下，半导体的价带是满带（完全被电子占据）。
当受光电或热激发后价带中的部分电子（石墨烯的电子运动速度高达m/s，是光速的1/300）越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电专业学习参考资料WORD整理版子后形成一个带正电的空位，成为空穴。
导带中的电子和价带中的空穴合称为电子- 空穴对，则电子，空穴能自由移动成为自由载流子。
它们在外电场作用下产生定向运动形成宏观电流，分别成为电子导电和空穴导电。
石墨烯的每一单位晶格有 2 个碳原子 , 导致其在每个布里渊区有两个等价锥形相交点 (K和 K′ ) 点，再相交点附近其能量于波矢量成线性关系（ 2.1）E：能量， ?：约化普朗克常数，：费米速度，1*m/s，，分别是波矢量再X-和 Y-轴的分量。
因此，使得石墨烯中的电子和空穴的有效质量均为零，所有电子，空穴被称为狄拉克费米子。
相交点为狄拉克点，在其附近能量为零，古石墨烯的带隙（禁带）为零。
石墨烯独特的载流子特性和无质量的狄拉克费米子属性使其能够在室温下观测到霍尔效应和异常的半整数量子霍尔效应（当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面会出现电势差）。
表明了其独特的载流子特性和优良的电学性质。
石墨烯的室温载流子迁移率实测值达15000cm2/V·s(电子密度cm2)。
2.2.2石墨烯高迁移率的原因散射机制在一定温度下, 即使没有外加电场, 半导体中的大量载流子也在永不停息的作着无规则的、杂乱无章的热运动。
载流子在运动时, 便会不断的与热振动着的晶格或半导体中电离子的杂质离子发生碰撞, 使载流子速度的大小及方向发生改变。
也就是说载流子在运动中受到了散射。
当有外电场作用时, 一方面 , 载流子在电场力的作用下作定向运动; 另一方面 , 载流子仍不断的遭到散射, 使其运动方向不断的改变。
载流子就是在外力和散射的双重影响下, 以一定的平均速度沿力的方向漂移。
众所周知 , 在具有严格周期势场的晶体中, 载流子不会遭到散射。
载流子遭到散射的根本原因就是这种周期势场被破坏。
在实际的晶体中, 除了存在周期势场外还存在一个附加势场 , 从而使周期势场发生变化。
由于附加势场的作用 , 就会使能带中的载流子发生在不同状态间的跃迁。
例如, 原来处于状态的载流子遭到散射后以一定的几率跃迁到各种其他的状态。
晶体电子可看成是处于晶体原子所构成的晶格周期性势场之中的微观粒子，专业学习参考资料WORD整理版此势场的形式就决定了晶体电子的能量状态能—带。
此即意味着晶体电子的状态（用电子波的波矢k 表征）由晶格周期性势场决定，即规则排列的晶体原子，就决定着由许多波矢k 表征的晶体电子的状态。
动因为量载性，因此，规则排列的晶体原子不势流大场子小会散射载流子。
散为是射波规决长就概定则）是排规念晶载则列发的流原电理子波都可以在晶格中很好地传播，从而相应的这些电子并不遭受散射。
某生晶子子一改体构传播的电子波的波矢，正好是 Brillouin 区边缘的那种波矢。
状而在晶体中不能定的变原成态动波；而规则排列的原子构成的晶格周期的子（状态），即这种状态是不存在的。
在能量上， Brillouin 区边缘就对应于禁带；长量许不发的多散电而带）。
因此，处于能带中的晶Brillouin 区内部的波矢所对应的就是容许带（能电生晶射子不改子面载体电子，不会受到晶格的反射，即不会受到晶体原子的散射。
都变流可也可以用电子波在晶体中的传播总之，规则排列的晶体原子、亦即相应的晶格周期性势场不会散射载流子。
以中状反态的可以想见，不是规则排列的晶体原子、亦即不是完整的晶格周期性势场就必将散射。
运故可以说，在完电动射载流子。
换句话说，在完整晶格周期性势场之上的任何附加势场，对于晶体中子，波的载流子都将要产生散射作用。
，实际所以，电子在石墨烯中传输时不易发生散射，表明石墨烯的主要散射机制是而上各就缺陷散射。
可以提高石墨烯的完整性来增加其迁移率。
个是反电2.3 光学特性射子波之在单层石墨烯的透过率可从菲涅耳公式用于通用光传导的薄膜材中料到得间晶干体涉中，的除而其中，α =αε（ 2.2）≈ 1- α ≈ 97.7%（ 2.3）（π α ）=≈，e是光子的电荷、C 为光速,α为精细结构常α ε专业学习参考料资WORD整理版数。
可见单层石墨稀对光的吸收率达到了 2.3%,对于多层石墨炼片, 可以看做单层石墨烯的简单叠加, 每一层的吸收是恒定不变的, 随着层数的增加, 吸收也线性增长。
多层石墨烯的透过率为:T=（ 1-α）2。
其中α=2.3%为单层石墨稀的非饱和吸收效率,n 为石墨稀的层数。
根据上式得出的多层石墨烯对光的吸收率和层数的关系, 随着层数的增加, 石墨烯对光的吸收率也变大,10 层时吸收率达到 0.207。
吸收波长取决于能带间隙，即禁带宽度。
因为石墨烯为零带隙结构，理论上对任何波长都有吸收作用，另外，当入射光的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和，这一非线性光学行为称为可饱和吸收。
2.3.1 可饱和吸收原理当强光照射到石墨稀上时, 石墨稀的吸收不再是线性的, 而是非线性的依赖于光强 , 这个效应称为可饱和吸收。
初始时（图 2.3 a）在光子的入射下, 价带上的电子将吸收光子的能量跃迁到导带。
这些电子经热化和冷却后形成热费米- 狄拉克分布。
遵循泡利不相容原理，占据导带上最低的能量状态，热载流子能量降到平衡态，价带的电子也重新分布到低能量状态，能量高的状态呗空穴占据这个过程同事伴随着电子- 空穴复合和声子散射（图2.3b）。
对于c，当光的强度降低时，吸收系数与载流子的宽度呈递减关系。
若光的强度足够大，电子被源源不断激励到导带，光生载流子将整个导带- 价带填满 , 阻碍光的进一步吸收, 对光表现为透明 , 带间跃迁被阻断此时石墨稀被饱和，光子无损耗通过。
可饱和吸收特性归因于两个主要原因，首先，石墨烯强烈的与波长无关的线性吸收（ 2.3%）提供了吸收饱和调制深度的潜能。
