g-C3N3和ZrS2二维复合材料的结构与电子结构的第一性原理计算研究(2)
2 相关领域的研究进展
石墨烯的制备，标志着二文晶体材料成为可能影响未来电子技术及材料应用科学的新型纳米材料。通过对石墨烯材料的研究和制备，不断加深了对二文晶体材料的理解和认识，也促进了二文晶体材料及相关复合材料的研究与应用。
2.1.1石墨烯
石墨烯的出现，在材料科学界内，掀起了一阵广泛的研究热潮。石墨烯是碳的一种同素异形体，它具有独特的二文结构和优异的电学、光学、力学、热力学等方面的性质，因此它也是继碳纳米管和富勒烯之后的又一研究热点。在此之前，石墨烯一直被认为是假设性存在的物质，无法单独稳定地存在。直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家A. K. GEIM 和 K. S. NOVOSELOV成功地从石墨中分离出石墨烯，才证实它可以单独存在。当时，来自英国的两位科学家发现他们可以用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。通过从石墨中剥离出石墨薄片，然后再将薄片的两面粘在特殊的胶带上，撕开胶带就可以把石墨片一分为二。不断地重复上述过程，石墨薄片越来越薄，直至得到仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。经过5年的研究发展，出现了很多新的方法制备石墨烯单层，例如机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等[3]，石墨烯进入工业化生产领域已经为时不远了。 因此，在2010年安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫二人共同获得诺贝尔物理学奖。
石墨烯是由碳优尔元环组成的两文(2D)周期性蜂窝网状点阵结构, 它既可以翘曲成零文(0D)的富勒烯(Fullerene),卷成一文(1D)的碳纳米管( Carbon Nanotube, CNT )也可以堆叠成三文(3D)的石墨(graphite), 因此可以说石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元[4]。石墨烯基本结构单元是有机材料中最稳定的苯优尔元环, 它也是目前最理想的二文纳米晶体材料。理想的石墨烯结构是平面优尔边形点阵，可以把它看作是一层被剥离出来的单层石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献p轨道上剩余的电子形成大π键，π电子可以自由移动，这赋予石墨烯良好的导电性。二文石墨烯结构可以看成是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。
图1 石墨烯及其派生产物示意图
石墨烯是世界上最薄的，同样它也是世界上最坚硬的二文纳米材料，它几乎就是完全透明的，吸光率仅达到2.3%；导热系数却高达5300W/(m•k)，高于碳纳米管和金刚石，常温下它电子迁移率超过15000cm2/（V•s），比碳纳米管和硅晶体高得多，而电阻率却只有10-6Ω•cm，比铜或银更低。和传统的半导体和导体材料相比，石墨烯中的电子能够非常高效地迁移传输，在这方面，硅和铜都远不及石墨烯表现得好。在传统的半导体和导体材料中，电子和原子的碰撞会以热量的形式，释放并浪费一部分的能量。石墨烯却与此不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性和应用价值[5]。由于电子传输的速度极快，电阻率极低，石墨烯常常被期待用于发展成导电速度更快、更薄的晶体管等一系列新型电子器件。
石墨烯之所以表现出如此多的优良性质，是由于它独特的电子结构。石墨烯的价带和导带相交于费米能级处（K和K′点），是能隙为零的半导体，在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系。石墨烯中电子的运动速度达到光速的1/300，它的电子行为需要用相对论量子力学中的狄拉克方程来描述，电子的有效质量为零。因此，石墨烯成为凝聚态物理学中独一无二的描述无质量狄拉克费米子（massless Dirac femions）的模型体系，这种现象也导致了其许多新奇的电学性质。