石墨烯的发展、结构及性能简介

石墨烯的发展、结构及性能简介

一、石墨烯的发展

1934年，朗道和佩尔斯就指出了准二维晶体材料由于其自身的热力学不稳定，在常温常压下会迅速分解。菲利普·华莱士1947年就开始研究石墨烯的电子结构。麦克鲁1956年推导出了相应的波函数方程，林纳斯·鲍林1960年曾质疑过石墨烯的导电性。1966年，大卫·莫明和赫伯特·瓦格纳提出Mermin-Wagner理论，指出表面起伏会破坏二维晶体的长程有序。谢米诺夫1984年得出与波函数方程类型的狄拉克方程。直到1987年，穆拉斯才首次使用“graphene”这个名称来指定石墨稀。

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，从石墨中成功分离出石墨烯，而他们分离的方法也极为简单，他们把石墨薄

片粘在胶带上,把有粘性的一面对折，再把胶带撕开,这样石墨薄片就被一分为

二。通过不断地重复这个过程,片状石墨越来越薄，最终就可以得到一定数量的

石墨烯，从而证实石墨烯可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性

实验”共同获得2010年诺贝尔物理学奖。十余年来，各国科研人员针对石墨烯开

展了大量研究工作，试图研制出高效、可控的制备石墨烯纳米带的技术工艺。

基于法国SOLEIL同步加速器X射线等实验的研究成果，法美科学团队成功

研制出一种用于生产石墨烯纳米带半导体的方法。科研人员在碳化硅表面刻蚀凹

槽，并以此作为基板，通过控制基板的几何形状，在其上形成仅有几纳米宽的石

墨烯纳米带。该项技术可在常温下进行，其制备的石墨烯半导体仅为此前IBM

公司所制纳米带的五分之一宽。该技术可高效、可控地制备石墨烯半导体，为石

墨烯规模化工业生产带来可能，同时也使新一代高密度集成电路的制备不再遥不

可及。

二、石墨烯的结构

石墨稀是由碳六元环组成的两维周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成零维的富勒稀，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，因此石墨稀是构成其他石墨材料的基元。石墨稀的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是目前最理想的二维纳米材料。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。

1、石墨稀和其他碳元素的区别

石墨本身并非真正意义上的二维材料，单层石墨碳原子层才是准二维结构的碳材料。石墨可以看成是多层石墨稀片堆垛而成，碳纳米管可以看作是卷曲圆筒状的石墨稀。当石墨稀的晶格中存在五元环的晶格时，石墨稀会发生翘曲，富勒球可以看作通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的。

三．石墨稀的性能

石墨稀是迄今已知强度最大，厚度最小的材料，其强度为钢的100倍，比金刚石还要坚硬，石墨稀中电子最大传输速度达到光速的三百分之一，传输速度比计算机芯片中的硅还要快，石墨稀的室温下具有量子霍尔效应，双极性电场效应等，在室温4K以后具有反常量子效应，所以石墨稀具有巨大的应用背景和前景。

1.导电性极强：石墨稀中各碳原子之间的连接非常柔韧当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了稳定的结构，这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，石墨烯的电子在轨道中移动时不会因晶格缺陷或引入外来原子发射散射。由于原子间作用力很强，在常温下。即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中受电子的干扰也非常小。石墨稀中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或半导体的运动速度。石墨稀中电子最大传输速度达到光速的三百分之一，正因为如此，石墨稀具有超强的导电性。

2.超过强度：石墨稀是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1-2级，但被分离成一个原子厚的石墨稀后，性能则发生突变，其硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又有很好的韧性，且可以弯曲。

3.超大比表面积：由于石墨稀的厚度只有一个碳原子厚，即0.335纳

米，所有石墨稀拥有超大的比表面积，理想单层石墨稀的比表面积比普通的活性碳比表面积大得多。超大的比表面积使得石墨稀成为潜力巨大的储能材料。