浅谈石墨烯的研究

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1、浅谈石墨烯的研究1.前言碳是一种既普遍又非常奇妙的元索，它广泛存在于动植物生命体，岩石矿物等自然界物质屮。它既能构成自然界己知最坚硬的物质（金刚石），也能组成石墨这种较软的材料。自富勒烯和碳纳米管被科学家发现后，三维的金刚石、“二维”的右墨、一维的碳纳米管、零维的富勒烯组成了完整的碳系家族。但是，石墨本身并非算是真止意义上的二维材料，单层碳原了厚度的石墨才是准二维结构的碳材料。出于二维晶体在平面内具有无限重复的周期结构，但在垂直平面的方向只具有纳米尺度，可以看作是宏观尺寸的纳米材料，表现出许多独特的性质。因此,人们一直在试图找到一种方法来制备出碳元素的准二维材料。科学家在2

2、0世纪40年代就对类似右墨烯的结构进行过理论研究，但长久以来，科学家们一直认为这种纯粹的二维晶体材料是无法稳定存在的，一些试图制备石墨烯的工作也均以失败而告终。在石墨烯被发现之前，理论和实验都认定严格的二维晶体因为热力学不稳定而无法存在，原子单层只能作为三维结构的基木组成单位而非独立存在。然而，至2004年，原先盛行的观点被动摇了，英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov等利用胶带剥离高定向右墨的方法获得了独立存在的二维石墨烯品体⑴（图1）。2008年8月，盖姆讲述了他们当初如何制造石墨烯的故事：2004年，盖姆买了一大块高定向热解石墨，这是一种纯度非常高、通常用于分

3、析的石墨材料。盖姆把它交给了他新来的一位博士生，并给了他一台非常高级的抛光机，希望他能制作出尽可能薄的薄膜。三个星期过后，这位博士生拿着一个培养血告诉盖姆说做好了。盖姆用显微镜观察培养皿底部的石墨斑，发现那足有10微米厚，相当于1000层石墨烯的厚度。盖姆于是问他，能不能磨得再薄一些?他告诉盖姆，那还再需要一块石墨。这种石墨每块大约要300美元。盖姆承认自己当吋的态度可能不太好，于是，那位博士生对盖姆说「'既然你这么聪明，那你就自己试试吧。”盖姆只得自己做了，不过他采用了一种非常“土”的方法。因为石墨具冇完整的层状解理特性，可以按层剥离。于是，盖姆用透明胶带在石墨上粘一下，

4、这样就会有石墨层被粘在胶带上。盖姆把胶带对折后，粘一下再拉开，这样，胶带两端都沾有石墨层，石墨层又变薄了。如此反复多次，胶带上的石墨层薄到只有一个碳原子的厚度吋，石墨层也就变成了石墨烯。这个看上去非常简单的方法，在此z前也有人试过，但没能辨识岀单层右墨烯。盖姆把剥离下来的薄片放在氧化硅基板上，光的干涉效应使薄片在显微镜下呈现彩色条纹，就像油膜在水面上产生的效果。利用这种效应，他们观察到了单层石墨烯。就这样,第一种二维晶体材料正式出现。图1折叠区域的高度约为4A,清楚地证明了石墨烯是单原子层晶体这一发现在科学界引起了巨大的轰动，它不仅打破了二维晶体无法真实存在的理论预言，更为

5、重要的是石墨烯众多新奇的特性，使它成为继富勒烯和碳纳米管后又一个里程碑式的新材料。2.石墨烯的结构及其简介石墨烯，英文名Graphene,是碳元索的一种单质形态。碳是自然界里最重要的元素之一，有着独特的性质，是生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硕的钻石，也可以是柔软的石墨。石墨烯是碳的另一张奇妙脸孔，具有由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状品格结构。它像一张单层的网，每一个网格都是一个完美的六边形，每一个绳结是一个碳原了。这张网只有一个原了那么厚,可以说没有高度、只冇长宽，是二维结构的碳。人类已知的最薄材料，其厚度只有0・335纳米，由于它包含烯类物质的基木特征一

6、一碳原子之间的双键，所以称为石墨烯。右墨烯是一种单原子层的碳二维纳米材料，它是由碳六元环组成的二维蜂窝状点阵结构，碳原了的与石墨单原了层排列相同。石墨烯中的每个碳原了都与相邻的3个碳原子相连，其C—C键长约为0.142nm,每个晶格内有3个。键，因此成为史上最牢固的材料之一。石墨烯以一个正六边形碳环为结构单元，由于每个碳原子只有1/3属于正六边形，所以这个整流变形的碳原子数为2。正六边形的面积为0.052nm2,±

7、此计算出石墨的面密度为0.77mg/m2o同时，石墨烯也具有优异的光学性能，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，及透光率为97.7%o曲于单层石墨烯、双层石墨烯的可

8、见光透过率依次相差2.3%,所以可以根据石墨烯薄膜的可见光透过率估算其层数。石墨烯（graphene）是由碳原子六元环紧密构成的单原子厚度的二维品体，具有重复周期的蜂窝状点阵结构，它翘曲后可以成为零维的富勒烯，卷曲后成为一维的碳纳米管，多层堆积后成为三维的石墨，如图2所示，因此，石墨烯被看作是构成其他石墨材料的基木单元〔2〕。如果在六元环形成的石墨烯品格屮存在五元环的晶格，就会使石墨烯片层翘曲，当有12个以上的五元环晶格存在时就会形成零维的富勒烯：碳纳米管可以看作是右墨烯沿一定角度卷曲形成的圆筒状一维材料；石墨烯片