石墨烯的结构性质（一）

石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42 10米，键与键之间的夹角为120 。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能。

石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可大0.25TPa。 由石墨烯薄片组成的石墨纸拥有很多的孔，因而石墨纸显得很脆，然而，经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨纸则会异常坚固强韧。

石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm/（V·s），这一数值超过了硅材料的10倍，是已知载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm/（V·s）。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50~500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm/（V·s）左右。另外，石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场作用改变化学势而被观察到，而科学家在室温条件下就观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。 石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，这是石墨烯局域超强导电性以及很高的载流子迁移率的原因。石墨烯中的电子和光子均没有静止质量，他们的速度是和动能没有关系的常数。 石墨烯是一种零距离半导体，因为它的传导和价带在狄拉克点相遇。在狄拉克点的六个位置动量空间的边缘布里渊区分为两组等效的三份。相比之下，传统半导体的主要点通常为Γ，动量为零。

石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管（3500W/mK）和多壁碳纳米管（3000W/mK）。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。 此外，石墨烯的d道热导率可以使单位圆周和长度的碳纳米管的d道热导率的下限下移。

石墨烯具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3%，看上去几乎是透明的。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加2.3%。大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。这是单层石墨烯所具有的不寻常低能电子结构。室温下对双栅极双层石墨烯场效应晶体管施加电压，石墨烯的带隙可在0~0.25eV间调整。施加磁场石墨烯纳米带的光学响应可调谐至太赫兹范围。 当入射光的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和。这些特性可以使得石墨烯可以用来做被动锁模激光器。 这种独特的吸收可能成为饱和时输入光强超过一个阈值，这称为饱和影响，石墨烯可饱和容易下可见强有力的激励近红外地区，由于环球光学吸收和零带隙。由于这种特殊性质，石墨烯具有广泛应用在超快光子学。石墨烯/氧化石墨烯层的光学响应可以调谐电。 更密集的激光照明下，石墨烯可能拥有一个非线性相移的光学非线性克尔效应。

在非极性溶剂中表现出良好的溶解性 ，具有超疏水性和超亲油性。科学家在2015年的研究中表示约4125K ，有其他研究表明熔点可能在5000K左右。可以吸附和脱附各种原子和分子。

石墨烯具有的优质性能1.导电性石墨烯新颖的电子性质在于它可以维持巨大的电流。石墨烯中的π键使石墨烯具有电子传导性，并使石墨烯层之间产生较弱的相互作用。石墨烯中的载流子可用狄拉克方程而不用薛定谔方程来描述。由于蜂窝晶体中有两个等价的碳亚晶格，锥状的价带和导带相交于费米能级处布里渊区的K和K0点。这些无质量的狄拉克费米子显示出许多优越的特性。石墨烯是零带隙的二维半导体材料，它清晰地显示出双极电场效应、准粒子，和较长的平均自由程（微米量级的）。此外，二维中狄拉克能量色散意味着石墨烯是一种零带隙的半导体材料，当接近费米能级处时其态密度成线性消失。石墨烯传导时其电子或空穴浓度高达10E13cm-2。它显示出杰出的载流子迁移率约为200,000cm2╱V.s。如此高的迁移率是因为完美的石墨烯蜂窝状晶格使电子能够十分顺利地通过，能够控制其带隙。就像半导体一样，人们可以控制和调节电子运动以产生预期的结果。换言之，除非能够提供能量来加强电子穿越间隙，即在价带和导带之间的间隙，否则石墨烯不可用以传导。2.导热性石墨烯的近室温导热系数在（4.84±0.44）×10E3和（5.30±0.48）×10E3W╱m.K之间（Balandinetal.,2008）。化学气相沉积制备的石墨烯显示出较低值（≈2500W╱mK）（Caietal.,2010）。它被认为具有一定的结构类型，即AA或AB型；石墨烯的层数也对其热导率产生影响。由于石墨烯的高热导性（由于其强烈的CAC共价键和声子散射，无缺陷的纯石墨烯单层在室温下导热性可高达5000W╱mK(Ballandinetal.,2008），它被认为是电子设备中重要的组成部分。在室温下，单层纯石墨烯的热导率比先前研究的其他碳的同素异形体的热导率高很多，例如，碳纳米管（多壁碳纳米管为3000W╱mK(Kimetal.,2001)，单壁碳纳米管为3500W╱mK(Popetal.,2005)。导热率会受一些因素的影响，如缺陷，边缘散射（Nikaetal.,2009）和同位素掺杂（Jiangetal.,2010）。一般而言，所有这些因素都会对导电率产生不利影响，这是因为掺杂导致缺陷和声子模式局部化从而产生了声子散射。3.比表面积石墨烯成六角苯环结构，边长0.142纳米，面积为0.052nm2。所以面密度为0.77mg╱m2时，取得比表面积为2630m2╱g。4.d性模量依据Voigt石墨本构方程式：式中，下标1和2为石墨烯面内的两个主方向，而3为其法向。实验测量得到值为C11=1060Gpa、C12=36.5Gpa、C44=4Gpa、C12=180Gpa及C13=15Gpa。由此矩阵中还可以看出，由於碳原子之间SP2键极强，石墨面内的d性模量高达1Tpa。由于高各向异性程度的原因是石墨烯之间的弱相互作用，这通常被认为是范德华力相互作用或π电子间的耦合作用，实验测出石墨烯层间的剪切模量为4Gpa，剪切强度为0.08Mpa，明显小于碳原子间的机械性能。石墨烯被氧化后的物理性质有显著的改变。可以看出首先是环氧基中的C-O-C键角发生弯曲，而氧原子向石墨面内方向运动，由此得到氧化石墨烯其杨氏模量为610Gpa，较石墨烯的1060Gpa还低。5.透光性石墨烯是透明的，单层石墨烯吸收2.3%πα≈2.3%的白光（97.7%透光率），α为精细结构常数，其值约为~1/37。堆叠顺序和方向影响着石墨烯的光学特性；因此，双层石墨烯展现出新颖有趣的光学特性。6.化学稳定性及反应性石墨烯的化学稳定性高是由于蜂窝网状结构中强大的面内sp2杂化键的存在。石墨烯的化学惰性可应用于防止金属和金属合金的氧化。陈等（Chenetal.,2011）用化学气相沉积技术将石墨烯镀在铜和铜╱镍上，首次演示了石墨烯的抗氧化性能。石墨烯具有的化学稳定性和惰性使它有望提高潜在的光电子器件的耐久性（Blakeetal.,2008）。7.阻隔性石墨烯片具有高度灵活性。它们可以像气球一样被拉伸，甚至在几种大气的立压差下也无碍。即使是像氦这样的小原子也无法渗透它。有些文献会使用氧化石墨烯来阻隔膜，我现在才发现是因为石墨烯分散性较差而不得不做的取舍，毕竟石墨烯成膜性高，再者，氧化石墨烯是亲水性会吸水，而石墨烯为疏水性，阻水性更佳

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