石墨烯：结构与性质

石墨烯是一种由碳原子构成的二维蜂窝状的晶体结构，并且只有一个碳原子的厚度，其内部的每个碳原子以sp2杂化轨道的方式与周围的碳原子构成稳定的六边形，在石墨烯的内部形成离域的大π键，并且电子可以在其内部自由移动，使石墨烯具有良好的导电性。2004年，Geim及其合作者通过光学显微镜观察到的石墨烯（图1.2）［9］。

图1.2　Geim课题组在氧化硅片上观察到的多层石墨烯薄片［9］

正如之前所述，石墨烯的出现打破了二维晶体不能稳定存在的理论预言。但是石墨烯之所以能够稳定存在来源于其本身具有一定起伏的非完美平面结构，这说明石墨烯这一单原子层厚度的二维晶体的存在与经典理论并不相悖。2007年，Meyer等利用电子衍射对石墨烯进行研究时［13］发现石墨烯并不是完美的平面结构，而是存在一定的起伏，以降低其表面能（图1.3）。同时，随后的理论计算也证实了石墨烯表面的褶皱能够使其稳定存在［14］。

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图1.3　石墨烯薄膜的透射电子显微镜［13］

这种特殊的结构使石墨烯具有很多优良的物理和化学性质。其具体如下：

首先，石墨烯具有良好的电学性质。sp2杂化的碳原子在石墨烯内部形成离域的大π键，电子可以在其内部自由移动。最早分离出石墨烯的Geim课题组发现，在室温下其电子与空穴的浓度为1013 cm-2，迁移率约可达10 000 cm2·V-1·s-1。随后2008年，其课题组刷新了这一数值，在室温下当电子的密度约为1011 cm-2时，石墨烯的迁移率达到了200 000 cm2·V-1·s-1［15］，远远高于硅材料（1 400 cm2·V-1·s-1），这相对应于石墨烯的电导率为106 S·m-1。此外，石墨烯的电子迁移率几乎不受温度变化的影响，而且在室温下可以观察到石墨烯的量子霍尔效应［11，16，17］。

其次，石墨烯是目前所有材料中最坚固的材料，其断裂强度约为125 GPa，弹性模量约为1 100 TPa，同时，石墨烯薄膜的材料还展现出了高的柔韧性能，在受到外力作用时，具有很大的变形空间［18］。在室温下，石墨烯具有较高的热导率，达到了5 000 W·m-1·K-1，超过了碳纳米管等的热导率［19］。

除了出色的电学、力学以及热学性质以外，单层石墨烯还表现出了优异的光学性质，透过率为97.70%［20］。同时，经理论计算，石墨烯具有比现有活性炭材料还高的比表面积，为2 630 m2·g-1［21］。