石墨烯及其应用.pdfVIP

一.石墨烯的结构及性能简介：

石墨烯是由单质C构成的层状平面结构，每个C通过sp2杂化与周围C原子构成正六

边形的环，没个C原子贡献剩余的一个p轨道电子行成大π键，π电子可以自由移动，因而

石墨烯有良好的导电性。单层石墨烯厚度仅0.35mm，约为头发丝直径的二十万分之一。

在石墨烯的每个六边形结构单元中含有2个C原子，因为每个C原子有1/3属于该六

边形中，六边形的面积为0.052平方纳米，石墨烯的密度为0.77毫克每平方米。

石墨烯的结构非常稳定，碳碳键仅为1.42Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，

当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而

保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在

轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在

常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。

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电子在石墨烯中运动时不易被散射，其迁移率可达210cm/(Vs)，是Si中电子迁移率

的140倍。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子

在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric

chargecarrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。此外，石墨烯在是温下还是导电

性很好的材料。

石墨烯还是已知材料中强度和硬度最高的材料，1平方厘米的石墨烯层片能承重4kg。

因此在复合材料领域有很强的应用价值。

二.石墨烯的制备方法：

I.机械剥离法

虽然石墨烯同一六边形内的C原子之间作用力很强，但由于其特殊的层状结构，层与层

之间的范德瓦尔斯力却是很弱，因此便提供了人们直接将石墨烯撕下来的可能。盖姆等人提

供了一种简单的方法，就是用胶带黏住是名片的两侧反复剥离从而得到石墨烯。这种方法得

到的石墨烯一般在几微米十几微米之间，最大能到毫米量级，人们用肉眼便可观察。

II.外延生长法

该方法是在单晶4H或6H-SiC的特定晶面上热解脱除Si来制取石墨烯。除了SiC以外，

对其他一些含有C元素的金属在真空中加热，也会在金属表面获得石墨烯。

III.氧化还原法

该方法具有成本低，周期短，产量大的特点，因此被广泛使用。首先把石墨进行氧化

处理，改变其表面结构已达到表面基团亲水的目的。再将被氧化的石墨放入水中，形成稳定

的石墨胶体。其中氧化过程是关键。

IV.超声分散法

超声分散法就是把石墨在具有匹配的表面能有机溶剂中进行分散，再将得到的液体进

行离心分离，除去没用的石蜡层，便可得到石墨烯。

剥离石墨烯需要的剥离能与有机溶剂的表面张力和单位面积石墨层所受的范德瓦尔斯

力的匹配程度有关。匹配的越好，越容易分散。同氧化还原相比，超声分散法得到的石墨烯

的晶化程度更高，但是由于和有机溶剂结合，不利于石墨烯的纯化。

V.有机合成法

由于石墨烯的结构和有机大分子的结构相似，因而可以利用这点来合成石墨烯晶体。

将有机大分子离子化，然后沉淀，在一定条件下会转化成石墨烯的结构。

VI.溶剂热法

在封闭容器中，有机溶剂和碱金属首先合成为中间相，再用高温裂解便可得到石墨烯。

该方法具有工艺简单，成本低的特点被广泛应用。

除此之外，还有化学气相沉积法，等离子增强法，火焰法，电弧放电法等。

三.石墨烯的基本性能

石墨烯的电子结构

㈠.石墨烯具有六边形结构，每个C原子有四个价电子，通过sp2杂化与周围三个C相连，

外面一个p轨道形成大π键，石墨烯是典型的零型零带隙的半金属材

石墨烯的原胞由晶格矢量a1，a2定义，每个原胞内有两个原子，位于A和B的子晶格

aa

上a1，a2分别为a(3,3)，a(3,3)，

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其中a=0.142nm是C原子sp2键长，由此易得倒格失为：

22

b(1,3),b(1,3)

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