石墨烯的特性和优异表现

碳元素作为地球上广泛存在的一种元素，有多种同素异形体，这是由于其核外电子轨道杂化方式不同而形成的。近二十年来，碳材料一直作为前沿领域的研究热点，并相继发现了零维富勒烯、一维碳纳米管，对二维碳材料的探索工作也一直在进行。2004年，英国科学家A. K. Geim和K. S. Novoselov通过胶带反复多次机械剥离的方法得到了具有优良稳定性的二维石墨烯层片（Novoselov K S，2004）。石墨烯一经发现便掀起了科学界对它的研究热潮，两位科学家也因石墨烯的发现而获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构，以苯六元环为基本结构单元，碳原子以sp2杂化轨道的方式排列成蜂窝状结构的二维纳米材料，每个碳原子剩余的一个p轨道电子均贡献出来形成大π键，并且π电子可以自由移动（Stoller M D，2008）。每个C—C键长为0.142nm，单层厚度为0.35nm（图7-2）。石墨烯结构上的特点赋予它诸多独特的性能，包括优异的导电性能、电子传输性能、机械性能等。

图7-2　石墨烯结构示意图

在石墨烯众多的特性当中，其电学性能尤其突出，这与石墨烯独特的能带结构是密不可分的。图7-3所示是石墨烯的能带结构，价带和导带相交于第一布里渊区K点，价带与导带呈现理想的对称性，费米面上的电子能量与波矢呈线性关系，而且价带与导带相交处的电子有效质量为0，此处的电子行为遵循狄拉克方程（Abergel D S L，2010）。这是石墨烯具有诸多不同于其他半导体材料的物理特性的根本所在。

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图7-3　石墨烯的能带结构

根据石墨烯的能带结构可以看出，电子在石墨烯材料中的传输过程很难发生散射（Bolotin K I，2008）。通过对石墨烯电子传输性能的实验研究发现，石墨烯的电子迁移率高达2×105cm2·V-1·S-1，电阻低至10-6Ω·cm（Lee C，2008）。同时，石墨烯的电子迁移率不随温度变化而变化，具有良好的热稳定性。

石墨烯的力学性能优异，目前石墨烯是世界上硬度最高的材料。通过实验测量分析，石墨烯的弹性模量为1TPa，可承受的最大压强高达130Gpa（Schedin F，2007）。从这个数值来看，石墨烯的硬度比金刚石和钢铁还要高上百倍。

众多的优异性质为石墨烯材料在传感器、电池、显示器和催化等领域中的应用奠定了坚实的基础。而石墨稀独特的二维结构特点，也使其在气体传感领域具有诸多优势。首先，理想的石墨烯的所有原子几乎都暴露在气体当中，极高的比表面积可以在较低的检测极限下发挥作用。其次，石墨烯的电学特点和力学特性在其传感信号上的表现也十分明显，石墨烯电导率会随着暴露于目标气体的成分改变而发生变化，是极具发展潜力的气敏材料。