石墨烯的性質

 

石墨烯是二維碳材料的統稱。據六角形蜂巢結構的層數，石墨烯分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯(3~10層)及多層或厚層石墨烯(厚度在10層以上、10 nm以下)。單層石墨烯的厚度為0.35 nm，是目前已知最輕薄的材料。石墨烯這種結構還得從石墨結構說起。石墨是以范德華力結合起來的分子晶體，具有三維的層狀結構。由于同一平面層上的碳—碳鍵結合很強，極難斷裂，因此石墨的熔點很高、化學性質穩定，在力學、電學、光學、熱學等方面具有優異特性。

 

力學特性

 

石墨烯中,碳原子之間的連接處于非常柔韌的狀態，當被施加外部機械力時，碳原子面會彎曲變形，碳原子不必重新排列來適應外力，因此保持了結構穩定。石墨烯是人類已知強度最高的材料，比世界上強度最高的鋼鐵高100多倍。

 

電學特性

 

石墨烯具有超高的電子遷移率，它的導電性遠高于目前任何高溫超導材料。曼徹斯特大學的研究小組在室溫下測量了單層石墨烯分子的電子遷移率，發現即使在含有雜質的石墨烯中，電荷的遷移率仍可達10000 m2/(V.s)。2008年，海姆研究小組又證明,電子在石墨烯中的遷移率可以達到前所未有的200000 m2/(V.s)。不久之后，哥倫比亞大學的博洛京(K.Bolotin)將這個數值再次提高到250000 m2/(V.s)。而且前晶體管的主要材料——單晶硅的電子遷移率只有1400 m2/(V.s)，高純度石墨烯的電子遷移率超過單晶硅150倍以上。此外，石墨烯的電子遷移率幾乎不隨溫度變化而變化。

 

光學特性

 

石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收大約2.3%的可見光，透光率高達97.7%。石墨烯層的光吸收與層數成比例，數層石墨烯(FLG)樣品中的每一層都可以看做二維電子氣，受監近層的擾動極小，其在光學上等效為幾乎互不作用的單層石墨烯(SLG)的疊加。單層石墨烯在300~2500 nm間的吸收譜平坦，在紫外區有吸收峰，這是由于石墨烯態密度中的激子移動呈現范霍夫奇異性。在數層石墨烯中，低能區有與帶間躍遷相關的其他吸收特性。

 

熱學特性

 

石墨烯也是一種熱穩定材料。石墨烯的熱導率高達5300 W/(m.K)，是銅的13倍，研究發現，單層石墨烯的熱導率與片層寬帶、缺陷密度和邊緣粗糙度密切相關；石墨烯片層沿平面方向導熱具有各向導性的特點；在室溫以上，石墨烯的熱導率隨著溫度的升高而逐漸減小。

 

化學特性

 

石墨烯的電學性能受到了廣泛關注,然而它的化學特性卻一直少人問津。目前已知的化學特性有:石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子，如二氧化氮、氨、鉀等吸附物作為給體或受體往往會導致載流子濃度發生變化；而氫離子、氫氧根離子等吸附物會產生導電性很差的衍生物，但這些都不是新的化合物。從表面化學的角度來看，石墨烯的性質類似石墨，因此可根據石墨來推測石墨烯的化學性質。石墨烯的化學性質研究將在今后數年內成為一個研究熱點。