1.2. 石墨烯

2004年，英国曼彻斯特大学物理学教授Geim等用一种极为简单的方法得到了单层的石墨烯晶体[15]。此发现也丰富了整个碳系家族，零维的富勒烯，一维的碳纳米管，二维的石墨烯，三维的石墨、金刚石（图1.2）。

很明显，石墨烯是单层原子厚度的石墨，具有二维蜂窝状网格结构，是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体。自从石墨烯被成功制备出来以后，石墨烯在全世界范围内掀起了一股新的研究热潮，各种极具魅力的奇特性质相继被发现，预测其很有可能会在很多领域引起性的变化。石墨烯具有独特的结构和优异的电学、热学、力学等性能，这些优异的性能使其得以在包括电极材料、能源转化储存领域、复合材料、场发射材料和高灵敏度传感器等诸多领域中发挥巨大的作用[16]。

图1.2 石墨的各种形态[2]

1.2.1. 石墨烯的结构

石墨烯由六边蜂窝状晶格组成，包括两层相互透入的三角晶格，每个晶格单元中含有两个碳原子。每个格点上的碳原子都有1个s轨道和3个p轨道，与邻近的原子以σ键连接在一起。每个碳原子还有一个2p轨道，其中有一个2p电子。这些2p轨道均垂直于sp2杂化轨道的平面，且轨道间相互平行，从而满足了形成π键的条件。石墨烯片层中包含有大量碳原子，而所有碳原子都垂直于sp2杂化轨道平面，可以形成贯穿全层的多原子的大π键。大π键中的电子并不定域于两个原子之间，而是非定域的，可以在同一层中运动，为石墨烯提供了一个理想的二维（2D）结构。其结构示意图如下图（图1.3）所示。

图1.3  石墨烯的结构示意图

1.2.2 石墨烯的性能

石墨烯具有完整的二维结构，使其具有独特的电学、热学和力学性能。

石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于石墨烯片平面内π轨道的存在，电子可在晶体中自由移动，使得石墨烯具有十分优异的电子传输性能, 室温下可达到15000 cm2·V-1·s-1的电子迁移率[17]。

除了具有优异的导热性能，石墨烯的拉伸模量达到1000 GPa，极限强度达到116 GPa，均与单壁碳纳米管相当。此外，石墨烯的理论比表面积高达2600 m2 g-1，具有突出的导热性能(3000W·m- 1·K- 1)，以及具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列优越性能[17]。

1.2.3 石墨烯的制备

石墨烯的制备主要有物理方法和化学方法。物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料, 通过微机械剥离法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯；化学方法主要包括化学气相沉积法、氧化还原法、SiC热解外延生长法等。此外，还有高温还原、光照还原、微波法、电弧法、电化学法等[18-21]。

微机械剥离法

微机械剥离法是最早用于制备石墨烯的物理方法。Geim等[16]在1 mm厚的高定向热解石墨表面进行干法氧等离子刻蚀，然后将其粘到玻璃衬底上，接着在上面贴上1 μm厚湿的光刻胶，经烘焙、反复粘撕，撕下来粘在光刻胶上的石墨片放入丙酮溶液中洗去，最后将剩余在玻璃衬底上的石墨放入丙醇中进行超声处理，从而得到单层石墨烯。

该方法的优点是得到的产物保持着比较完美的晶体结构，缺陷的含量较低。缺点是产生石墨烯的效率较低，不适合大规模的工业生产，一般仅仅是应用在实验室的基础研究中。

液相或气相直接剥离法

通常直接把石墨或膨胀石墨(EG)（一般通过快速升温至1000 ℃以上把表面含氧基团除去来获取）加在某种有机溶剂或水中，借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。