石墨烯的结构及特性

2004年,Science杂志首次报道了曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov成功分离出稳定的石墨烯,并论述了石墨烯材料的基本性质他们关于石墨烯的研究被授予2010年诺贝尔物理奖,轰动世界,推动了石墨烯材料的研究,促进了石墨烯在物理化学材料生物医学和环境方面的研究

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp²杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是当前发现的唯一一种二维自由态原子晶体,是除金刚石以外其他碳晶体的基本结构单元,具有许多极佳的电子及机械性能,是当前使用的材料中最薄强度最大导电和导热性能最好的一种纳米材料”

近年来,科学界对石墨烯的研究逐渐从石墨烯的制备研究转变到对石墨烯的应用研究,并对石墨烯在光电医学计算机晶体管等领域都进行了大量的研究,取得了较好的成果

(一)结构

石墨烯是一种单原子层的碳二维纳米材料,其点阵结构是由碳六元环组成的二维蜂窝状,是构成其他石墨材料的基本单元,石墨烯主要分为单层石墨烯双层石墨烯少层石墨烯多层或厚层石墨烯4个类别石墨烯中每个碳原子之间都以很强的共价σ键相互结合,且相互成为120°的角度,其C—C键长大约为O.142nm,构成了特有的六角晶格,这种特殊的成键方式和结构使石墨烯成为史上最牢固的材料之一

（二）导电特性

石墨烯原子之间具有极强的相互作用力,在室温条件下,即使碳原子之间发生相互碰撞和挤压,石墨烯中的电子在轨道中移动时也不会发生散射,其电子受到的干扰也非常小,其电子迁移率可达到2x10⁵cm²/V·s，约为硅中电子迁移率的140倍,砷化镓的20倍,温度稳定性也较高,电导率可达10⁸Ω/m,电阻约为31Ω/sq,比铜或银更低,是室温下导电最好的材料因此,石墨烯具有较好的导电性能

（三）导热特性

石墨烯的导热效应在高温时由光子传导,在低温时由其中的弹道传输所决定其热导率室温下是5000W·m^-1·K^-1,是硅的36倍,砷化镓的20倍,是铜在室温下的十倍多因此,石墨烯的导热性是目前已知材料中最高的,这使石墨烯在许多微热电器件等领域有非常广阔的应用前景

（四）光学特性

石墨烯有着极高的透明度线性光学性质:单层石墨烯的吸光率很高,对从可见光到太赫兹宽波段每层吸收2.3%非线性光学性质:当入射光的强度超过某一临界值时,石墨烯对其的吸收会达到饱和这些特性使得石墨烯可以用来做被动锁模激光器

（五）机械特性

目前在发现的强度硬度较高的物质材料中,石墨烯的强度是最大的,比钻石和钢铁还要强硬100多倍哥伦比亚大学对石墨烯材料强度硬度的研究发现,作为实验式样的石墨烯微粒在开始断裂前,其每100纳米距离上可以承受的压力高达2.9微牛这种结果表明,要使1米长的石墨烯断裂,需要施加55牛顿的压力也就是说,如果用石墨烯材料制备的包装袋,其能承受的最高压力为2t的重压,才能使石墨烯材料制备成的包装袋断开