1.2 石墨烯的结构及基本性能

1.2.1 石墨烯的结构

目前公认石墨烯是于2004年由Novoselov[1]等通过机械剥离的方法首次制得的。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六边形蜂窝晶格结构的单层二维材料[见图1.1（a）]。在石墨烯中，每个碳原子以sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成共价键[2]，并通过π 轨道电子形成离域 π 键。单层石墨烯的厚度约为0.335nm[3]。碳碳键的键长约为0.142nm[4]，石墨烯层中包含面内σ键和面外π键[见图1.1（c）]。共价σ键形成六边形结构，构成石墨烯结构的刚性骨架，赋予石墨烯超高的力学性能；每个碳原子中剩余的Pz轨道的π电子在垂直方向上形成离域π键，因此具有电子传导性，同时使石墨烯层间产生了较弱的相互作用。单层石墨烯被定义为单层的二维六边形碳原子，双层石墨烯和多层石墨烯则分别由2层和3～10层二维薄片组成，超过10层的石墨烯结构是石墨薄膜。在双层石墨烯和多层石墨烯中，碳原子可以以不同的方式堆积，如AA堆积（六边形堆积）、AB堆积（Bernal堆积）及ABC堆积（菱形堆积），如图1.1（b）所示。

1.2.2 石墨烯的基本性能

石墨烯独特的二维单原子连续共轭结构赋予它很多优异的性能，如优异的导电性[7]和极高的载流子迁移速率[8]、超高的导热性[9]、高强度[10]和高模量[11]、巨大的比表面积[12]。在石墨烯中，离域π键的电子可以自由移动，这赋予了石墨烯独特的电学性质：室温下，载流子迁移速率高达15000cm2V-1s-1[8]，高于目前已知的所有半导体材料[13]；电阻率只有10-6Ω·cm[14]，是目前已知的常温环境中导电性能最好的材料；它具有带隙宽度为零的半导体能带结构[15]。

（a）单层石墨烯的二维六边形结构[5]；（b）石墨烯三种常见的结构和堆积方式[6]；（c）石墨烯的面内σ键和面外π键[6]

图1.1 石墨烯的结构

由于石墨烯中强碳碳共价键的作用，未掺杂石墨烯时载流子密度相对较低，电子对导热系数的贡献可以忽略不计。因此，石墨烯的热传导主要是声子传输，即晶格的振动传热[16]。基于分子动力学模拟，悬浮单层石墨烯的热导率可达6000Wm-1K-1[17]。Balandin[18]等通过显微共聚焦拉曼光谱仪测得悬浮单层石墨烯的热导率约为5300Wm-1K-1，远高于金刚石和碳纳米管的热导率，证明石墨烯具有优异的导热性能。

石墨烯具有超强的力学性能，被认为是强度最高的材料之一，这主要归因于碳原子的 σ键。Lee[19]等通过原子力显微镜，采用纳米压痕技术对无缺陷单层石墨烯的强度进行测量，测得石墨烯的杨氏模量高达1.0TPa，断裂强度可达130GPa。

此外，石墨烯具有较高的透光性，实验发现，在可见光范围内，单层石墨烯的透光度约为97.7%，且石墨烯的透光度随层数的增加线性下降[20]。石墨烯的理论比表面积可达2630m2g-1[8]。然而，由于实际制备过程中难以剥离并得到单层石墨烯，所以实验测量得到的比表面积值通常低于上述理论值[21]。