石墨烯报告
一、石墨烯定义、性质
(一)石墨烯定义
“中国石墨烯产业技术创新战略联盟”发布的1号标准文件中，对石墨烯的定义如下：石墨烯是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯、和少层石墨烯的统称。
单层石墨烯是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。
双层石墨烯是指由两层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子层以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
少层石墨烯是指由3-10层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子层以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
图1 石墨烯的分类
石墨烯发展历史。石墨烯作为当下最热门的新材料之一，其经历了如下的发展历程：
图2 石墨烯的发展历程
(二)石墨烯性质
石墨烯的出现，有望在构造材料、电子器件功能性材料等诸多领域引发材料革命。由于其具有许多特殊性质，有日本的研究人员惊呼石墨烯是“神仙创造”的材料。许多学者称石墨烯为“改变21世纪的材料”，并预测“21世纪将是碳（C）的时代”。
相比于现有材料，石墨烯拥有众多“史上最强”性能。
超强导电性 ：由于石墨烯拥有完美的“二维”平面晶格结构，因此电子在晶格中移动时，不会因为晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。另外，由于石墨烯中碳原子之间作用力很强，使得运动中的电子受到的干扰极小，即使在周围碳原子发生碰撞时也是如此，因此电子具有非常快的运动速度（能够达到光速1/300），远远超过了电子在其他金属导体或半导体中的运动速度，正因如此，石墨烯拥有超强的导电性能。
超高强度 ：石墨烯的硬度高于金刚石，是目前为止人类已知的硬度最高的物质。由于高的硬度，石墨烯拥有很高的强度，其强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。而同时它又拥有很好的韧性，且可以弯曲。
导热性能 ：石墨烯的导热性能优于碳纳米管。普通碳纳米管的导热系数可3500w/m·k，各种金属中导热系数相对较高的有银、金、铜、铝。而单层石墨烯的导热系数可达5300w/m·k。优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超大规模纳米集成电路的散热材料。
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- .可修编 . 第5章石墨烯研究机构和单位
5.1 石墨烯研究领先单位
1. XX材料科学（国家）联合实验室，先进炭材料研究部
负责人：成会明院士
先进炭材料研究部主要开展碳纳米管、石墨烯等纳米炭材料及其复合材料的制备、性能和应用探索研究；针对能源和环境可持续发展的重大需求，致力于高容量储氢材料、高性能储能材料、高效太阳能利用与转换材料等的研究探索；材料+微信公众号内容专业，可以关注；研制高性能炭石墨材料及其复合材料并拓展其应用领域。
2. 大学纳米化学研究中心
负责人：X忠X院士
主要研究领域包括：1）石墨烯及其二维杂化材料的CVD生长、能带工程与新原理器件；2）碳纳米管的CVD生长与手性分离；3）石墨炔与新型碳材料；4）二维原子晶体材料及其光电性质；5）碳材料化学、维度效应及其拉曼光谱；6）纳米光学与低维物理；7）低维材料的理论与计算模拟等。
3. 中国科学院物理研究所，纳米物理与器件实验室
负责人：高鸿钧
四个研究组的研究方向包括：1. 纳米信息材料和器件物性；2. 单分子及纳米结构的电子输运研究；3. 纳米器件及其物理；4. 低维电子系统。
4. 清华大学，化学系，高分子化学与物理研究所
负责人：石高全 - - -
- .可修编 . 近年来在石墨烯的化学制备与功能化等方面从事了系列研究工作，特别是石墨烯自组装薄膜，水/有机凝胶，气凝胶，石墨烯/高分子复合材料，石墨烯修饰电极以及共轭分子修饰石墨烯等方面取得了进展。材料+微信公众号内容专业，可以关注；开展了石墨烯材料在催化、能源、和传感方面的应用研究。
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专业资料 值得拥有 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。 WORD格式整理
专业资料 值得拥有 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。
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专业资料 值得拥有 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。
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sp2 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
