自由态二维碳原子晶体一单层石墨烯

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1、万方数据第23卷第2期2008年6月新型炭材料NEWCARBONMATERIAl．SV01．23No．2Jun．2008文章编号：1007-8827(2008)02枷97JD7自由态二维碳原子晶体一单层石墨烯杨全红1，吕伟1，杨永岗2，王茂章2(1．天津大学化工学院，天津300072；2．中国科学院炭材料重点实验室中国科学院山西煤炭化学研究所，山西太原030001)摘要：石墨烯是近年发现的二维碳原子晶体，是目前碳质材料和凝聚态物理领域的研究热点之一。石墨烯是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、i维体相石墨等sp

2、2杂化碳的基本结构单元，具有更多奇特的性质。通过简要介绍石墨烯的发现历史及分子结构，重点评述了石墨烯奇特的性质(特别是电学性质)和潜在的应用领域。关键词：石墨烯；二维晶体；层状材料；电子陆质中图分类号：TQ127．1文献标识码：A1前言碳元素广泛存在于自然界，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。碳元素有很多种同素异形体，最为人们所熟知的就是sp2杂化的石墨和sp3杂化的金刚石。1985年富勒烯(Fullerene)的发现

3、1J和1991年碳纳米管(Carbonnanotubes)的发现

4、【2l，扩大了碳的同素异形体的范畴，也使人们对碳元素的多样性有了更深刻的认识，富勒烯和碳纳米管所引发的纳米科技对人类认知、社会发展的贡献难以言喻。2004年另一种具有理想二维结构和奇特电子性质的碳的同素异形体——单层石墨烯(Graphene)被成功制备旧J，开始引发新一波碳质材料研究热潮。2首创的真正二维晶体自然界不存在自由状态的石墨烯片，在一般的自由状态下，它会卷曲成富勒烯、碳纳米管或堆叠成体相石墨。自石墨的层状结构被确定以后。近20多年来，零维的富勒烯，一维的碳纳米管(特别是单壁碳纳米管)的相继发现促

5、使科学家们考虑：二维的理想石墨烯片层能自由存在吗?一般地说，随着物质厚度的减小，汽化温度也急剧减小，当厚度只有几十个分子层的时候，会变得不稳定。同时根据Mer．IIlin—wanger的理论，长的波长起伏也会使长程有序的二维晶体受到破坏。因此过去科学家们一直认为严格的二维晶体具有热力学不稳定性，而且不可能存在【41。1988年，日本东北大学京谷隆教授等在用蒙脱土做模板制备高度定向石墨的过程中，以丙烯腈为碳源，在蒙脱土二维层间得到了石墨烯片层，不过这种片层在脱除模板后不能单独存在，很快会形成高度取向的体相石

6、墨∞。。2004年，Novoselov等第一次用机械剥离法(Mechanicalcleavage)获得单层和2层一3层石墨烯片层l6’(图1)，而且可在外界环境中稳定地存在。2007年，Meyer等人报道单层石墨烯片层可以在真空中或空气中自南地附着在微型金支架上，这些片层只有一个碳原子层厚度(o．35nm)，这一厚度仅为头发的20万分之一，但是它们却表现}n长程的晶序。TEM研究也表明，这些悬浮的石墨烯片层(图2)并不完全平整，它们表现出物质微观状态下同有的粗糙性，表面会出现几度的起伏。可能正是这些i维褶

7、皱巧妙地促使二维晶体结构稳定存在"j。换言之，将二维膜放入三维空间会有一种产生褶皱的趋势，二维结构可以存在但是会产生一定的起伏。Fasolino等通过模拟发现，由于热起伏，褶皱会自发地产生而且能达到的最大厚度为0．8nm，这与实验中的发现相一致。这种不同寻常的现象可能是由于碳键的多样性导致的旧j。石墨烯片层上存在大量的悬键使得它处于动力学不稳定的状态，可能正是这样一种褶皱的存在，在石墨烯边缘的悬键可与其他的碳原子相结合，使其总体的能量得以降低。不过，对于褶皱的形成也有不同的观点。收稿日期：2008讲旬2；

8、修回日期：2008旬5-28基金项目：教育部“新世纪优秀人才支持计划”资助项目(NCET聊Ⅸ7)，天津市“应用基础及前沿技术研究计划”资助项目(0r7JCYBJCl5200)和天津大学“985”二期“杰出人才”引进项目．作者简介：杨全红(1972一)，男，山西孝义人，博士、教授、博导．研究方向：新型碳质材料和纳米材料．E—majJ：qhy卸gcn@tju．edu．∞万方数据·98·新型炭材料第23卷图l石墨烯片层的AFMI冬

9、片6Fig．1neAFMimageofgraphene‘6图2悬浮的石墨烯片层7

10、Fig2Su3pendedgraphenelay盯[7]Ishigallli等人首次利用STM展示了基于石墨烯制作的电子元件的原子结构和纳米级上的微观形貌(例如附着在绝缘的二氧化硅基质』二的石墨烯片层)。原子级分辨率的STM图片(网3)显示石墨烯的存在形态受二氧化硅衬底形态制约，部分石墨烯片层与二氧化硅衬底作用产生褶皱，换言之，石墨烯并未自发地产生褶皱。基于这一点，科学家们正在考虑利用控制衬底材料的形态来控制石墨烯的褶皱，研究