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第一章石墨烯性能及相关概念

1石墨烯概念

石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一

层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有

一层碳原子。但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以

上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，

碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具

有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比表面积高达2.6×

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10m/g。石墨烯具有优异的导热性能(3×10W/(m?K))和力学性能(1.06×

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10GPa)。此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，

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室温下的电子迁移率高达1.5×10cm/(V·s)。石墨烯特殊的结构、突出的

导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。

石墨烯结构图

2石墨烯结构

石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片，由sp2杂化的碳原子紧密

排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm。每个晶格

内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π

键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、

富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多

环烃的极限情况就是石墨烯。

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形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，

看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中，每个碳原子通

过sp2杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯

环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。单层石墨烯厚度仅0.35nm，约为

头发丝直径的二十万分之一。

石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧。受到外力时，碳

原子面会发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了

自身的结构稳定性。

石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带形式存在。纳米条带中电荷横

向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增

大。因此，通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒。这

一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础。

石墨烯能带结构图

3石墨烯性能

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石墨烯是一种超轻材料，面密度为0.77mg/m，的主要性能是：一是具

有超强的导电性。石墨烯的电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，是硅的100

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倍，在室温下可以达到15000cm/(V·s)。电阻率比铝、铜和银低很多，只

有10～6Ω·cm左右。二是具有超强的导热性。石墨烯的导热性能优于碳

纳米管，是铜、铝等金属的数10倍，导热系数高达5300W/m?K。三是具

有超强的力学性，石墨烯的硬度超过金刚石，断裂强度达到钢铁的100倍。

四是具有超强的透光性。石墨烯的吸光率非常小，透光率高达97.7%。五是

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具有超强的比表面积。石墨烯的比表面积每克比普通活性炭高出1130m，

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达到2630m/g。

3.1石墨烯的光学性能

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，

只吸收2.3%的光，具有优异的光学性能。理论和实验结果表明，单层石墨

烯吸收2.3%的可见光，即透过率为97.7%。从基底到单层石墨烯、双层石墨

烯的可见光透射率依次相差2.3%，因此可以根据石墨烯薄膜的可见光透射

率来估算其层数。结合非交互狄拉克-费米子理论，模拟石墨烯的透射率，

可以得出与实验数据相符的结果。

根据折射和干涉原理，