1.2 石墨烯的結(jié)構(gòu)及基本性能

1.2.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)

目前公認(rèn)石墨烯是于2004年由Novoselov[1]等通過機(jī)械剝離的方法首次制得的。石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六邊形蜂窩晶格結(jié)構(gòu)的單層二維材料[見圖1.1（a）]。在石墨烯中，每個(gè)碳原子以sp2雜化軌道與相鄰的三個(gè)碳原子的sp2雜化軌道重疊形成共價(jià)鍵[2]，并通過π 軌道電子形成離域 π 鍵。單層石墨烯的厚度約為0.335nm[3]。碳碳鍵的鍵長(zhǎng)約為0.142nm[4]，石墨烯層中包含面內(nèi)σ鍵和面外π鍵[見圖1.1（c）]。共價(jià)σ鍵形成六邊形結(jié)構(gòu)，構(gòu)成石墨烯結(jié)構(gòu)的剛性骨架，賦予石墨烯超高的力學(xué)性能；每個(gè)碳原子中剩余的Pz軌道的π電子在垂直方向上形成離域π鍵，因此具有電子傳導(dǎo)性，同時(shí)使石墨烯層間產(chǎn)生了較弱的相互作用。單層石墨烯被定義為單層的二維六邊形碳原子，雙層石墨烯和多層石墨烯則分別由2層和3～10層二維薄片組成，超過10層的石墨烯結(jié)構(gòu)是石墨薄膜。在雙層石墨烯和多層石墨烯中，碳原子可以以不同的方式堆積，如AA堆積（六邊形堆積）、AB堆積（Bernal堆積）及ABC堆積（菱形堆積），如圖1.1（b）所示。

1.2.2 石墨烯的基本性能

石墨烯獨(dú)特的二維單原子連續(xù)共軛結(jié)構(gòu)賦予它很多優(yōu)異的性能，如優(yōu)異的導(dǎo)電性[7]和極高的載流子遷移速率[8]、超高的導(dǎo)熱性[9]、高強(qiáng)度[10]和高模量[11]、巨大的比表面積[12]。在石墨烯中，離域π鍵的電子可以自由移動(dòng)，這賦予了石墨烯獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)：室溫下，載流子遷移速率高達(dá)15000cm2V-1s-1[8]，高于目前已知的所有半導(dǎo)體材料[13]；電阻率只有10-6Ω·cm[14]，是目前已知的常溫環(huán)境中導(dǎo)電性能最好的材料；它具有帶隙寬度為零的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)[15]。

（a）單層石墨烯的二維六邊形結(jié)構(gòu)[5]；（b）石墨烯三種常見的結(jié)構(gòu)和堆積方式[6]；（c）石墨烯的面內(nèi)σ鍵和面外π鍵[6]

圖1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)

由于石墨烯中強(qiáng)碳碳共價(jià)鍵的作用，未摻雜石墨烯時(shí)載流子密度相對(duì)較低，電子對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。因此，石墨烯的熱傳導(dǎo)主要是聲子傳輸，即晶格的振動(dòng)傳熱[16]。基于分子動(dòng)力學(xué)模擬，懸浮單層石墨烯的熱導(dǎo)率可達(dá)6000Wm-1K-1[17]。Balandin[18]等通過顯微共聚焦拉曼光譜儀測(cè)得懸浮單層石墨烯的熱導(dǎo)率約為5300Wm-1K-1，遠(yuǎn)高于金剛石和碳納米管的熱導(dǎo)率，證明石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。

石墨烯具有超強(qiáng)的力學(xué)性能，被認(rèn)為是強(qiáng)度最高的材料之一，這主要?dú)w因于碳原子的 σ鍵。Lee[19]等通過原子力顯微鏡，采用納米壓痕技術(shù)對(duì)無缺陷單層石墨烯的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得石墨烯的楊氏模量高達(dá)1.0TPa，斷裂強(qiáng)度可達(dá)130GPa。

此外，石墨烯具有較高的透光性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在可見光范圍內(nèi)，單層石墨烯的透光度約為97.7%，且石墨烯的透光度隨層數(shù)的增加線性下降[20]。石墨烯的理論比表面積可達(dá)2630m2g-1[8]。然而，由于實(shí)際制備過程中難以剝離并得到單層石墨烯，所以實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的比表面積值通常低于上述理論值[21]。