石墨烯的性质

 

石墨烯是二维碳材料的统称。据六角形蜂巢结构的层数，石墨烯分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯(3~10层)及多层或厚层石墨烯(厚度在10层以上、10 nm以下)。单层石墨烯的厚度为0.35 nm，是目前已知最轻薄的材料。石墨烯这种结构还得从石墨结构说起。石墨是以范德华力结合起来的分子晶体，具有三维的层状结构。由于同一平面层上的碳—碳键结合很强，极难断裂，因此石墨的熔点很高、化学性质稳定，在力学、电学、光学、热学等方面具有优异特性。

 

力学特性

 

石墨烯中,碳原子之间的连接处于非常柔韧的状态，当被施加外部机械力时，碳原子面会弯曲变形，碳原子不必重新排列来适应外力，因此保持了结构稳定。石墨烯是人类已知强度最高的材料，比世界上强度最高的钢铁高100多倍。

 

电学特性

 

石墨烯具有超高的电子迁移率，它的导电性远高于目前任何高温超导材料。曼彻斯特大学的研究小组在室温下测量了单层石墨烯分子的电子迁移率，发现即使在含有杂质的石墨烯中，电荷的迁移率仍可达10000 m2/(V.s)。2008年，海姆研究小组又证明,电子在石墨烯中的迁移率可以达到前所未有的200000 m2/(V.s)。不久之后，哥伦比亚大学的博洛京(K.Bolotin)将这个数值再次提高到250000 m2/(V.s)。而且前晶体管的主要材料——单晶硅的电子迁移率只有1400 m2/(V.s)，高纯度石墨烯的电子迁移率超过单晶硅150倍以上。此外，石墨烯的电子迁移率几乎不随温度变化而变化。

 

光学特性

 

石墨烯几乎是完全透明的，只吸收大约2.3%的可见光，透光率高达97.7%。石墨烯层的光吸收与层数成比例，数层石墨烯(FLG)样品中的每一层都可以看做二维电子气，受监近层的扰动极小，其在光学上等效为几乎互不作用的单层石墨烯(SLG)的叠加。单层石墨烯在300~2500 nm间的吸收谱平坦，在紫外区有吸收峰，这是由于石墨烯态密度中的激子移动呈现范霍夫奇异性。在数层石墨烯中，低能区有与带间跃迁相关的其他吸收特性。

 

热学特性

 

石墨烯也是一种热稳定材料。石墨烯的热导率高达5300 W/(m.K)，是铜的13倍，研究发现，单层石墨烯的热导率与片层宽带、缺陷密度和边缘粗糙度密切相关；石墨烯片层沿平面方向导热具有各向导性的特点；在室温以上，石墨烯的热导率随着温度的升高而逐渐减小。

 

化学特性

 

石墨烯的电学性能受到了广泛关注,然而它的化学特性却一直少人问津。目前已知的化学特性有:石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子，如二氧化氮、氨、钾等吸附物作为给体或受体往往会导致载流子浓度发生变化；而氢离子、氢氧根离子等吸附物会产生导电性很差的衍生物，但这些都不是新的化合物。从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似石墨，因此可根据石墨来推测石墨烯的化学性质。石墨烯的化学性质研究将在今后数年内成为一个研究热点。