石墨烯基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介

1、1.1.石墨烯（石墨烯（GrapheneGraphene）的結(jié)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)石墨烯是一種由碳原子以sp雜化軌道組成六角型呈蜂巢狀晶格的平面薄膜，是一種只有一個(gè)原子層厚度的二維材料。如圖1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定義每個(gè)原胞內(nèi)有兩個(gè)原子，分別位于A和B的晶格上。C原子外層3個(gè)電子通過(guò)sp雜化形成強(qiáng)σ鍵（藍(lán)），相鄰兩個(gè)鍵之間的夾角120，第4個(gè)電子為公共，形成弱π鍵（紫）。石墨烯的碳碳鍵長(zhǎng)約為0.142nm，每個(gè)晶格內(nèi)有三個(gè)σ

2、鍵，所有碳原子的p軌道均與sp雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個(gè)離域π鍵，其貫穿整個(gè)石墨烯。如圖1.2所示，石墨烯是富勒烯（0維）、碳納米管（1維）、石墨（3維）的基本組成單元，可以被視為無(wú)限大的芳香族分子。形象來(lái)說(shuō)，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢狀的晶格結(jié)構(gòu)，看上去就像由六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。每個(gè)碳原子通過(guò)sp雜化與周?chē)荚訕?gòu)成正六邊形，每一個(gè)六邊形單元實(shí)際上類(lèi)似一個(gè)苯環(huán)，每一個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)未成鍵的電子，單層石墨烯

3、的厚度僅為0.335nm，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬(wàn)分之一。圖1.1（a）石墨烯中碳原子的成鍵形式（b）石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)。少層石墨烯的統(tǒng)稱(chēng)。由于二維晶體在熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性，所以不管是以自由狀態(tài)存在或是沉積在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微觀尺度的褶皺，蒙特卡洛模擬和透射電子顯微鏡都證明了這一點(diǎn)。這種微觀褶皺在橫向上的尺度在8~10nm范圍內(nèi)，縱向尺度大概為0.7~1.0nm。這種三維的變化可引起靜電的產(chǎn)生，所以使石墨單

4、層容易聚集。同時(shí)，褶皺大小不同，石墨烯所表現(xiàn)出來(lái)的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)也不同。圖1.3單層石墨烯的典型構(gòu)象除了表面褶皺之外，在實(shí)際中石墨烯也不是完美存在的，而是會(huì)有各種形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元環(huán)，七元環(huán)等）、空洞、邊緣、裂紋、雜原子等。這些缺陷會(huì)影響石墨烯的本征性能，如電學(xué)性能、力學(xué)性能等。但是通過(guò)一些人為的方法，如高能射線照射，化學(xué)處理等引入缺陷，卻能有意的改變石墨烯的本征性能，從而制備出不同性能要求的石墨烯器件。2.2.石墨烯

5、的性質(zhì)石墨烯的性質(zhì)2.1力學(xué)特性在石墨烯二維平面內(nèi)每一個(gè)碳原子都以σ鍵同相鄰的三個(gè)碳原子相連相鄰兩個(gè)鍵之間的夾角120，鍵長(zhǎng)約為0.142nm這些CC鍵使石墨烯具有良好的結(jié)構(gòu)剛性，石墨烯是世界上已知的最牢固的材料其本征（斷裂）強(qiáng)度可達(dá)130GPa是鋼的100多倍楊氏（拉伸）模量為1100GPa。如此高強(qiáng)輕質(zhì)的薄膜材料有望用于航空航天等眾多領(lǐng)域。2.2電學(xué)特性石墨烯的每個(gè)晶格內(nèi)有三個(gè)σ鍵，所有碳原子的p軌道均與sp雜化平面垂直，且以肩并肩