1.2　石墨烯的特性簡介

碳六元環呈蜂窩狀晶格排列構成的單層2D晶體賦予了石墨烯獨特的屬性。雖然石墨烯很薄，但是它的結構很穩定，其平面六邊形的點陣結構示意圖如圖1.2（a）所示。其中，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動［26］。石墨烯屬于一種半導體材料，并被譽為“21世紀的硅”，其能譜與能帶示意圖如圖1.2（b）所示，與傳統的半導體材料（如硅、砷化鎵等）不同的是，石墨烯的價帶和導帶相交于一點（狄拉克點），類似兩個錐形結構對接，中間沒有帶隙，所以石墨烯也被稱為零帶隙半導體［27］。

圖1.2　（a）石墨烯碳原子構成的平面六邊形點陣結構示意圖；（b）石墨烯的能譜與能帶示意圖［27］

石墨烯有許多特異的性質，如石墨烯的透光率達到了97.7%［28］，具有“透明”性質。石墨烯中的電子具有特殊的輸運性質:首先，由于石墨烯的單原子二維結構，電子的運動被限制在一個平面上，其受到周圍碳原子的干擾非常小，可以穿越數千個原子間距離而不發生散射［29］；其次，石墨烯結構十分穩定，迄今為止，研究人員尚未發現石墨烯中有碳原子缺失的情況，因此其電子在軌道中移動時不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射；最后，實驗測量發現，石墨烯表現出異常的整數量子霍爾效應，其霍爾電導率為量子電導率的奇數倍，這種現象可以理解為石墨烯中電子遵守相對論量子力學，沒有靜質量，電子的運動速度達到了光速的1/300，石墨烯中的電子被稱為“載流子”［30］、無質量狄拉克費米子［29］。由此，石墨烯的電子遷移率非常高，在室溫下測量可以達到250000cm2·V-1·s-1［31］，與物質的遷移率理論極限值（約200000cm2·V-1·s-1）［32］十分接近。而電阻率只有約10-6Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世界上電阻率最小的材料。

石墨烯除了具有上述的優良特性，還有許多其他特點，如石墨烯的導熱系數高達5300W·m·K-1［33］，高于碳納米管和金剛石；石墨烯的強度很高，楊氏模量有1TPa，固有強度130GPa［34］；石墨烯的載流子濃度也可以通過引入偏置電壓來改變，進而調制石墨烯的化學勢水平及電導率。正是其具有的這一系列優良特性，使得它具有廣闊的應用前景和非常高的研究價值。