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石墨烯的结构与特性2018-01-29

1 石墨烯的结构

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的二维材料。 如图所示,石墨烯的原胞由晶格矢量a1 和a2定义,每 个原胞内有两个原子,分别位于A和B的晶格上。 C原子外层 3 个电子通过sp2杂化形成强σ键(蓝), 相邻两个键之间的夹角 120°,第 4 个电子为公共,形成弱π键(紫)。石墨烯的碳-碳键长约为 0.142 nm,每个晶格内有三个σ键,连接十分牢固,形成了稳定的六边形。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电过程中起了很大作用。

石墨烯是富勒烯、碳纳米管、石墨的基本组成单元,可以被视为无限大的芳香族分子。形象来说,石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构,看上去就像由六边形网格构成的平面。每个碳原子通过sp2杂化与周围碳原子构成正六边形,每一个六边形单元实际上类似一个苯环,每一个碳原子都贡献一个未成键的电子,单层石墨烯的厚度仅为 0.335 nm,约为头发丝直径的二十万分之一。石墨烯的结构非常稳定,碳原子之间的连接十分柔韧。受到外力时,碳原子平面发生弯曲变形时,碳原子不必重新排列来适应外力,从而保证了自身结构稳定性。

( a)石墨烯中碳原子的成键形式 ( b)石墨烯的晶体结构

 

 

2 石墨烯的特性

作为理想的二维晶体材料,石墨烯呈现诸多神奇的物理特性。其中研究最为广泛的是电学性质。图 1展示了石墨烯能带结构,石墨烯电子的能量与动量呈线性关系,即石墨烯的价带和导带线性相交于布里渊区 K(K’)点, 呈现零带隙半金属特征。位于 K(K’) 点附近的电子不再遵循传统的薛定谔方程,只能由类 Dirac 方程描述,故称 K(K’)点为狄拉克点。在 K 点附近,电子的静止有效质量为零,其运动速度高达 106 m/s,是光速的 1/300,呈现相对论的特性。石墨烯独特的载流子特性和无质量的狄拉克费米子属性使其能够在室温下观测到霍尔效应和异常的半整数量子霍尔效应 。另外,由于原子间作用力非常强,在常温下,即使周围碳原子发生挤压,石墨烯中的电子受到的干扰也很小。电子在石墨烯中传输时不易发生散射,迁移率可达 2 × 105 cm2/V·s,约为硅中电子迁移率的 140 倍,其电导率可达 106 S/m, 面电阻约为 30 Ω /□,比铜或银更低,是室温下导电最好的材料。

石墨烯能带结构

 

石墨烯除了具有优异的电学特性,还具有独特的光学性能。理论和实验的研究表明,单层石墨烯对光的吸收率仅为2.3%。由于能带间隙的限制,常用的化合物半导体,比如 GaAs、 AlGaAs、 InGaAs 等,它们的吸收带一般被限制在可见光和近红外波段,由于石墨烯导带和价带相交的零带隙独特结构,理论上石墨烯对任何波长都有吸收作用。另外,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,这一非线性光学行为称为可饱和吸收。利用石墨烯的可饱和吸收特性,可将其应用于激光的锁模技术领域,对激光的脉冲宽度进行压缩,实现超快激光的输出。由于零能隙结构,石墨烯可以对所有波波段的光无选择性吸收,因此,用石墨烯制备成的可饱和吸收体能够实现全频带锁模。由于这些特殊性质,石墨烯在超快光子学领域有广泛的应用空间。

此外,石墨烯还具有优异的力学和热学等性能。石墨烯是人类已知强度最高的物质, 其抗拉强度和弹性模量分别为 125 GPa和 1.1TPa, 可抵抗 18.7%的拉伸应力。石墨烯的杨氏模量为~42 N/m2,面积为 1 m2 的石墨烯层片可承受 4 kg 的质量,其强度约为普通钢的 100 倍。石墨烯的室温导热率约为 5×103 W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,是室温
下铜的导热率(401 W/mK)的 10 倍多。另外,石墨烯具有 2630 m2/g超大的比表面积,用石墨烯制成的微传感器可以感应单个原子或分子,当分子附着或脱离石墨烯表面时,吸附的分子改变了石墨烯局部载流子浓度,导致电阻发生阶跃式变化。利用这一特性可用于制作各种类型的传感器。
 

 

石墨烯

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