1.2　結構與性質

石墨烯可以看作是單層石墨，是除了金剛石外所有碳晶體（富勒烯、碳納米管和石墨）的基本結構單元。石墨烯中碳原子以sp²雜化軌道組成六角形呈蜂巢狀的二維平面結構，如圖1-1所示：碳原子一個2s電子與2p_x和2p_y上的電子通過sp²雜化，與相鄰的三個碳原子結合，在平面內形成三個等效的強σ鍵，鍵長約0.142nm，鍵角為120°；另一個2s軌道上的電子受激躍遷至2p_z軌道，在垂直于平面的方向形成離域π鍵，貫穿整個石墨烯；石墨烯厚度約為0.34nm。

圖1-1　石墨烯的晶格結構圖（a）與石墨烯中碳原子成鍵形式圖（b）

石墨烯的能帶結構如圖1-2所示^［13］，其導帶與價帶相交于布里淵區的K/K'點，帶隙為零，電子能譜——電子的能量與動量之間呈線性關系。此時處于K/K'點附近的電子運動不能再用傳統的薛定諤方程描述，而是通過狄拉克方程進行解釋，因此該點也稱為狄拉克點。

圖1-2　石墨烯的能帶結構^［13］

石墨烯的這一晶體結構和能帶結構的高度對稱性決定了其獨特的性質。石墨烯是已知的力學強度最高的材料，拉伸強度可達130.5GPa，楊氏模量為1TPa^［14］。石墨烯在狄拉克點附近的電子靜止有效質量為零，為典型的狄拉克費米子特征，費米速度約10⁶m/s。懸浮的石墨烯在載流子濃度為10¹²/cm²時其室溫載流子遷移率可達200000cm²/（V·s），即使是在SiO₂/Si基底上受到基底聲子散射的影響，仍可達40000cm²/（V·s），面電阻為約30Ω/。通過電場調節，石墨烯可以為n型，也可以為p型，即具有雙極性電場效應。石墨烯具有優異的透光性能，單層石墨烯在400～800nm范圍內的光吸收率僅有2.3%，反射率可忽略不計^［16］。石墨烯的熱導率高達5300W/（m·K）^［17］，高于金剛石［1000～2200W/（m·K）］、單壁碳納米管［3000～3500W/（m·K）］等碳材料。通過對石墨烯引入特定的缺陷或摻雜，可以使石墨烯具有磁性^［18］，而兩層石墨烯通過特定角度堆垛，則會有優異的超導特性^{［19，20］}。總體而言，隨著石墨烯各種性能的深入研究以及新性能的發現，其在電子、航天軍工、新能源、新材料、生物醫藥等諸多領域都展示了巨大應用空間。

需要指出的是，實際上，不論是自由懸浮還是沉積在基底上的石墨烯都不是完全平整的，蒙特卡洛模擬和透射電子顯微鏡都表明，自由懸浮的石墨烯在表面存在本征的微觀尺度的褶皺，以補償其熱力學不穩定。這種微觀褶皺在橫向上的尺度在8～10nm范圍內，縱向尺度約為0.7～1.0nm，因此，嚴格地講，石墨烯并不是百分之百平整的完美平面，與Mermin-Wagner理論并不矛盾，如圖1-3所示^［21］。而在基底上的石墨烯，則會根據與基底結合力的大小而不同程度地適應基底的形貌。

圖1-3　石墨烯的表面起伏^［21］