石墨烯相关知识

金属表面生长
取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在 1150℃下渗入钌，然后冷却，冷却到 850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到 钌表面，镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面，最终它们 可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖 8 0 ％后，第二层开始生长。底层的石 墨烯会与钌产生强烈的相互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱 电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。但采用这种方法生产的石墨烯 薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。另外彼 得·瑟特（Peter Sutter）等使用的基质是稀有金属钌。
原子结构
悬挂于金属网栅上方，隔离的单层石墨烯平片，可以用穿透式电子显微镜观测。 显示出的石墨烯平片皱纹，其波幅大约为一纳米。这些皱纹可能是内禀的，因 为二维晶体不稳定性而产生的现象；也可能是外来的，源自于所有穿透式电子 显微镜图像里，都可以观察得到的无所不在的污尘。隔离的单层石墨烯贴附在 氧化硅基板上方，其原子分辨率的真实空间图像，可以用扫描隧道显微镜观测 得到。经过光刻术处理后的石墨烯会被光阻剂渣滓覆盖，必须清洗除去这些渣 滓，才能得到原子分辨率图像。这些渣滓可能是穿透式电子显微镜所观测到的 吸附物，可能是造成皱纹的因素。贴附在氧化硅表面上的石墨烯所显示出的皱 纹，是因为石墨烯会遵照氧化硅表面的样式，所以不是内禀效应。
发现历史
在本质上，石墨烯是分离出来的单原子层平面石墨。按照这说法，自从 20 世纪 初，X 射线晶体学的创立以来，科学家就已经开始接触到石墨烯了。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（层数在 3 层至 10 层之间的石墨烯）图像。
关于石墨烯的制造与发现，最初，科学家试着使用化学剥离法（chemical exfoliation method）来制造石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨，得到 石墨层间化合物。在其三维结构中，每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过 化学反应处理，除去嵌入的大原子或大分子后，会得到一堆石墨烯烂泥。由于 难以分析与控制这堆烂泥的物理性质，科学家并没有继续这方面研究。还有一 些科学家采用化学气相沉积法，将石墨烯薄膜外延生长（epitaxial growth） 于各种各样基板（substrate） ，但初期品质并不优良。 于 2004 年，曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子理工学院（Institute for Microelectronics Technology）的两组物理团队共同合作，首先分离出单 独石墨烯平面。海姆和团队成员偶然地发现了一种简单易行的制备石墨烯的新 方法。他们将石墨片放置在塑料胶带中，折叠胶带粘住石墨薄片的两侧，撕开 胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨 薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。当然，仅 仅是制备是不够的。通常，石墨烯会隐藏于一大堆石墨残渣，很难得会如理想 一般地紧贴在基板上；所以要找到实验数量的石墨烯，犹如大海捞针。甚至在 范围小到 1 cm2 的区域内，使用那时代的最尖端科技的都无法找到。海姆的秘 诀是，如果将石墨烯放置在镀有在一定厚度的氧化硅的硅片上。利用光波的干 涉效应，就可以有效地使用光学显微镜找到这些石墨烯。这是一个非常精准的 实验；例如，假若氧化硅的厚度相差超过 5%，不是正确数值 300nm，而是 315nm，就无法观测到单层石墨烯。 近期，学者研究在各种不同材料基底上面的石墨烯的可见度和对比度，同时也 提供一种简单易行可见度增强方法。另外，使用拉曼显微学（Raman microscopy）的技术做初步辨认，也可以增加筛选效率。 于 2005 年，同样曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒 子（quasiparticle）是无质量迪拉克费米子（Dirac fermion） 。
撕胶带法/轻微摩擦法
最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。 2004 年，海姆等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。 典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相 石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。 但缺点是此法利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺 寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。
轴分量。 这引至电子和空穴的有效质量（effective mass）都等于零。因为这线性色散 关系，电子和空穴在这六点附近的物理行为，好似由狄拉克方程描述的相对论 性自旋 1/2 粒子。所以，石墨烯的电子和空穴都被称为狄拉克费米子，布里渊 区的六个转角被称为“狄拉克点”，又称为“中性点”。在这位置，能量等于 零，载子从空穴变为电子，从电子变为空穴。 电子传输 电子传输测量结果显示，在室温状况，石墨烯具有惊人的高电子迁移率 （electron mobility） ，其数值超过 15000 cm2V−1s−1。从测量得到的电导数据的 对称性显示，空穴和电子的迁移率应该相等。在 10 K 和 100 K 之间，迁移率与 温度几乎无关，可能是受限于石墨烯内部的缺陷所引发的散射。在室温和载子 密度为 1012 cm−2 时，石墨烯的声子散射体造成的散射，将迁移率上限约束为 200,000 cm2V−1s−1。与这数值对应的电阻率为 10−6Ω·cm，稍小于银的电阻率 1.59 ×10−6Ω·cm。在室温，电阻率最低的物质是银。所以，石墨烯是很优良 的导体。对于紧贴在氧化硅基板上面的石墨烯而言，与石墨烯自己的声子所造 成的散射相比，氧化硅的声子所造成的散射效应比较大，这约束迁移率上限为 40,000 cm2 V−1s−1。 虽然在狄拉克点附近，载子密度为零，石墨烯展示出最小电导率的存在，大约 为数量级。造成最小电导率的原因仍旧不清楚。但是，石墨烯片的皱纹或在 SiO2 基板内部的离子化杂质，可能会引使局域载子群集，因而容许电传导。有 些理论建议最小电导率应该为。但是，大多数实验测量结果为数量级，而且与 杂质浓度有关。 在石墨烯内嵌入化学掺杂物可能会对载子迁移率产生影响，做实验可以侦测出 影响程度。有一组实验者将各种各样的气体分子（有些是施体有些是受体）掺 入石墨烯，他们发觉，甚至当化学掺杂物浓度超过 1012 cm−2 时，载子迁移率并 没有任何改变。另一组实验者将钾掺入处于超高真空（ultra high vacuum） 、 低温的石墨烯，他们发现钾离子的物理行为与理论相符合，迁移率会降低 20 倍。 假若，将石墨烯加热，除去钾掺杂物，则迁移率降低效应是可逆的。 由于石墨烯的二维性质，科学家认为电荷分数化（低维物质的单独准粒子的表 观电荷小于单位量子）会发生于石墨烯。因此，石墨烯可能是制造量子计算机 所需要的任意子元件的合适材料。
氧化减薄石墨片法
石墨烯也可以通过加热氧化的办法一层一层的减薄石墨片，从而得到单、双层 石墨烯。
肼还原法
将氧化石墨烯纸（graphene oxide paper）置入纯肼溶液(N2H4),这溶液会使氧 化石墨烯纸还原为单层石墨烯。
乙氧钠裂解
首先用纳金属还原乙醇，然后将得到的乙醇盐（ethoxide）产物裂解，经过水 冲洗除去钠盐，得到黏在一起的石墨烯，再用温和声波振动（sonication）振 散，即可制成公克数量的纯石墨烯。
碳化硅表面外延生长
该法是通过加热单晶碳化硅脱除硅，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。具 体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热， 除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使 之温度升高至 1250-1450℃后恒温 1min-20min，从而形成极薄的石墨层，经过 几年的探索，克莱尔•伯格（Claire Berger）等人已经能可控地制备出单层或 是多层石墨烯。在 C-terminated 表面比较容易得到高达 100 层的多层石墨烯。 其厚度由加热温度决定，制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
电子性质
石墨烯的性质与大多数常见的三维物质不同，纯石墨烯是一种半金属或零能隙 半导体。理解石墨烯的电子结构是研究其能带结构的起始点。参阅前面能带结 构图，科学家很早就察觉，对于低能量电子，在二维的六角形布里渊区的六个 转角附近，能量-动量关系是线性关系：E=
vFk= vF,其中，E 是能量，ℏ约化
普朗克常数，vF≈10 m/s 是费米速度，kx 与 ky 分别为波矢量的 x-轴分量与 y6
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 106 Ω·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。这种稳定的晶 格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时， 不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常 温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。 石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。 完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边 形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12 个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。 石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管；另外石墨烯还被做成弹道晶体管 （ballistic transistor）并且吸引了大批科学家的兴趣。在 2006 年 3 月，佐 治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观 测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路.