第1章　石墨烯的基礎知識

耿德超

中國科學院化學研究所

納米（nm），它與米（m）、厘米（cm）、毫米（mm）一樣，是幾何大小的度量單位，1nm=10^-9m，大概等于4～5個原子直線排列起來的長度。著名物理學家、諾貝爾獎獲得者Richard P.Feynman最早提出了在納米尺度上進行科學研究的可能性與設想。事件起源于1959年加州理工學院物理學年會上Feynman的一次富有想象力的演說。他在那次題為《底部還有很大空間》（“There’s plenty of room at the bottom”）的演說中指出，“如果我們能按照意愿在微觀尺度操縱一個個原子，將會出現什么奇跡？”在這次著名的演講中，他指出未來世界將是納米技術發展的時代，納米技術必將徹底改變人類的生活。Feynman的設想點燃了納米科技之火，五十多年后的今天，人們在納米科技方面取得了許多突破性的重大成果。

作為納米材料大家庭中的重要一員，石墨烯是世界上首次被成功制備的二維納米材料。嚴格意義上講，石墨烯是碳原子基于sp²雜化組成的六角蜂巢狀結構，僅有一個原子層厚。它是碳家族中繼富勒烯和碳納米管之后一種碳的新型同素異形體。在此之前，碳家族成員中從零維的富勒烯到一維的碳納米管再到三維的金剛石、石墨均已發現，唯獨二維結構的碳晶體一直未被發現，石墨烯的出現正好填補了這個空白。

作為一種純粹由碳骨架構成的完美二維原子晶體，石墨烯自2004年被成功剝離以來^[1]，因其獨特的結構和優異的性能在過去十多年間引起了科學界的廣泛關注，同時也經歷了長足的發展。英國曼徹斯特大學的兩位科學家Andre K.Geim和Konstantin S.Novoselov也因在石墨烯方面的開創性工作獲得了2010年諾貝爾物理學獎。在當年的諾貝爾頒獎致辭中，獲獎者Andre K.Geim作了題為“Random walk to graphene”的報告^[2,3]，該報告細致回顧了石墨烯這種新型材料的發現歷程，認可了前人對薄層石墨的早期研究工作。