石墨烯性能简介

第一章石墨烯性能及相关概念1石墨烯概念

石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有

排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm。每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。

形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中，每个碳原子通过sp2杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。单层石墨烯厚度仅0.35nm，约为头发丝直径的二十万分之一。

100倍，在室温下可以达到15000cm2/(V·s)。电阻率比铝、铜和银低很多，只有10～6Ω·cm左右。二是具有超强的导热性。石墨烯的导热性能优于碳纳米管，是铜、铝等金属的数10倍，导热系数高达5300W/m?K。三是具有超强的力学性，石墨烯的硬度超过金刚石，断裂强度达到钢铁的100倍。四是具有超强的透光性。石墨烯的吸光率非常小，透光率高达97.7%。五是

具有超强的比表面积。石墨烯的比表面积每克比普通活性炭高出1130m2，达到2630m2/g。

3.1石墨烯的光学性能

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，具有优异的光学性能。理论和实验结果表明，单层石墨

石

饱和。这一非线性光学行为成为饱和吸收。在近红外光谱区，在强光辐照下，由于其宽波段吸收和零带隙的特点，石墨烯会慢慢接近饱和吸收。利用这一性质，石墨烯可用于超快速光子学，如光纤激光器等。

3.2石墨烯的电学性能

石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成π键，

π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。由于原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生碰撞，石墨烯中的电子收到的干扰也很小。电子在石墨烯中传输时不易发生散射，传输效率1.5×105cm2/(V·s)，约为硅中电子迁移率的140倍。其电导率可达106s/m，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的

模量分别为125GPa和1.1TPa。石墨烯的强度极限为42N/m2。理想石墨烯的强度约为普通钢的100倍，面积为1m2的石墨烯层片可承受4kg的质量。石墨烯可作为一种典型的二维增强材料，在复合材料领域具有潜在的应用价值。

3.4石墨烯的热学性能

石墨烯的强度比金刚石还要硬，在高温下，还能保持其原有的形态，从这一点就震撼了物理界，主要是因为石墨烯内碳原子排列是有规有律的，当施加外力作用于石墨烯时，内部的碳原子不会发生位移，只是发生了弯曲变形，就可以抵制外力，保证自己的稳定性。

石墨烯的室温热导率是室温下铜的热导率的10倍多，导热系数高

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石墨烯的电子性质受到了广泛关注，然而石墨烯的化学性质却一直无人问津，至今关于石墨烯化学性能我们只知道的是：石墨烯可以将周围的原子和分子进行有序的吸附（例如：二氧化氮，氨，钾），这条性质和我们所认知的活性炭有些相似。二氧化氮，氨，钾往往是被作为给体或受体，使得石墨烯内部的碳原子浓度发生变化，然而石墨烯本身就是一种导电材

料。其它的吸附物，如氢离子和氢氧根离子则会产生导电性很差的衍生物，但这些都不是新的化合物，只是石墨烯装饰不同吸附物而已。由于石墨烯和石墨都是碳的同素异形体，从化学的角度上来看，往往它们具有一些相同的性质，所以在一些石墨烯不熟悉的领域可以通过石墨来进行相应的实验，来发现石墨烯的规律，有了这条比较简单又方便的思想，在未来，石