石墨烯

∙石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)，也可称为“单层石墨”[5]。

石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。

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。

石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。

目录∙石墨烯的发现历史∙石墨烯的结构∙石墨烯的特性∙石墨烯的制备方法∙石墨烯的应用石墨烯的发现历史∙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）[8]。

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[9]。

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[10]。

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[11]。

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，犹如东海捞针。

甚至在范围小到1 cm2的区域内，使用那时代的尖端科技，都无法找到。

海姆的秘诀是，如果将石磨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[10]。

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[12]。

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[13]。

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）。

类似这样的发现引起一股研究石墨烯的热潮。

从那时起，上百位才学兼优的研究者踏进这崭新领域。

现在，众所皆知，每当石墨被刮磨时，像用铅笔画线时，就会有微小石墨烯碎片被制成，同时也会产生一大堆残渣[11]。

在2004/05年以前，没有人注意到这些残渣碎片有什么用处，因此，石墨烯的发现应该归功于海姆团队[14]，他们为固体物理学发掘了一颗闪亮的新星。

石墨烯的结构石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料。

这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米（一个原子的直径，10的-10次方），把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。

石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。

碳原子中的四个绕核电子轨道分布在一个平面上。

碳分子是几个碳原子在平面上的连接和展开，所以，碳分子与碳原子的薄度相似，只是平面更大了一些而已。

碳原子或碳分子中的绕核电子只是在碳原子核的径方向面上存在着和运动着，就像土星中的光环，土星的两极方向是没有光环的，即，碳原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的。

单层石墨由交替的单双键构成，类似于有机中的多烯烃，故得名。

其实这是一种习惯命名。

烯是烃的一种，烃指的是碳氢化合物，而石墨烯明显不含氢元素。

但我们可以看到，苯，C6H6，在经典价键理论中可以被命名为1，3，5-环己三烯，两个苯环共边形成了萘（卫生球），C10H8，三个苯环共边形成了蒽和菲，C14H10，分子中氢元素的含量在不断下降，当这种形式无限扩展时，整个分子都由这种共边的苯环构成，边缘的氢分子几乎可以忽略，也就形成了石墨烯的结构。

换句话说，石墨烯是由基本的烃的无限延伸的产物，所以也称之为烯。

同样，前几年流行的C60，C70等被称为富勒烯也是这个原因。

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料。

这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米（一个原子的直径，10的-10次方），把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。

石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。

碳原子中的四个绕核电子轨道分布在一个平面上。

碳分子是几个碳原子在平面上的连接和展开，所以，碳分子与碳原子的薄度相似，只是平面更大了一些而已。

碳原子或碳分子中的绕核电子只是在碳原子核的径方向面上存在着和运动着，就像土星中的光环，土星的两极方向是没有光环的，即，碳原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的。

单层石墨由交替的单双键构成，类似于有机中的多烯烃，故得名。

其实这是一种习惯命名。

烯是烃的一种，烃指的是碳氢化合物，而石墨烯明显不含氢元素。

但我们可以看到，苯，C6H6，在经典价键理论中可以被命名为1，3，5-环己三烯，两个苯环共边形成了萘（卫生球），C10H8，三个苯环共边形成了蒽和菲，C14H10，分子中氢元素的含量在不断下降，当这种形式无限扩展时，整个分子都由这种共边的苯环构成，边缘的氢分子几乎可以忽略，也就形成了石墨烯的结构。

换句话说，石墨烯是由基本的烃的无限延伸的产物，所以也称之为烯。

同样，前几年流行的C60，C70等被称为富勒烯也是这个原因。

石墨烯的特性1．稳定性石墨烯结构稳定：石墨烯中碳原子均由共价键相连，共价键的键能是相对比较高的，相对于分子间作用力、氢键、金属键等，共价键不易被破坏。

由于石墨烯的结构其实是一个大的离域π键，其C-C键的强度要高于金刚石的单键，我们也可以从热力学的角度看到石墨的熔点为3850℃左右，金刚石的熔点仅为3550℃左右，不难发现，石墨比金刚石更加稳定。

2．导电性PPT5面心立方堆积（铜），六方堆积（镁），体心立方堆积（钾）金属的导电机理：金属是金属阳离子以密堆积的形式“浸没”在电子的海洋里，金属是通过自由电子的定向移动来导电的。

但金属键是不牢固的，例如金属的延展性就是原子层发生平移的结果。

所以，金属常常会出现空穴或杂原子等晶体缺陷，破坏了金属的规则的晶体结构，当电子经过这些缺陷时，就容易发生散射等现象，降低了电子定向移动的速度，影响了导电性。

石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。

石墨烯的导电机理：由于石墨烯所有原子均参与了离域，所以其整个片层上下两侧电子都可以自由移动。

并且由于共价单键的稳定性，石墨烯不会出现某位置碳原子的缺失或被杂原子替换，保证了大π键的完整性，电子在其中移动时不会受到晶体缺陷的干扰，得以高速传导，因此石墨烯有着超强的导电性。

3. 透明性与不透明性由于石墨烯是单薄片状态的，光子虽然不能穿透碳原子核，但是，可以穿透碳原子核之间的广大的空间，所以，石墨烯是一种透明的物质，当几个石墨烯分子层叠加在一起时，由于碳原子核排列有序（就像检阅场上的方队那样），光很容易穿透方队中的间隙呈现透明状态。

尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。

而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

4.机械特性石墨烯之所以硬，是因为碳原子或的绕核电子只是在碳原子核的径方向面上存在着和运动着，碳原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的，就是说，石墨烯表面上立的或排列的都是原子核，如果外部物质与它撞击，撞击的不是绕核电子而是直接撞击在原子核上，所以，石墨烯表面显示的非常硬。

石墨烯的制备方法在2008那年，由机械剥离法制备得到的石墨烯乃世界最贵的材料之一，人发截面尺寸的微小样品需要花费$1,000[11]。

渐渐地，随着制备程序的规模化，成本降低很多。

现在，公司行号能够以公吨为计量单位来买卖石墨烯。

换另一方面，生长于碳化硅表面上的石墨烯晶膜的价钱主要决定于基板成本，在2009年大约为$100/cm2。

韩国研究者，使用化学气相沉积法，将碳原子沉积于镍金属基板，形成石墨烯，浸蚀去镍金属后，转换沉积至其它种基板。

这样，可以更便宜地制备出尺寸达30英寸宽的石墨烯薄膜。

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。

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。

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。