石墨烯 石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格 的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是世上最薄却也是最坚硬 的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，导热系数高达5300 WmK,高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2Vs,又 比纳米碳管或硅晶体(monocrystalline silicon)高，而电阻率只约10-62-cm,比 铜或银更低。石墨烯适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。山 发现人Geim、Novoselov 外文名graphene 导热系数5000WmK) 理论比表面 杨氏模量1100GPa 2630m2/g 电子迁移率15000cm2/ws） 断裂强度130GPa 可见光透过 发现时间2004年 >g7% 中文名 石墨烯 应用领域能源、材料、电子、生物医药 材料简介 石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种 由碳原子以$即2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚 度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至 2004年，英国受彻斯特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，成功 地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维 石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸 收2.3%的光"：导热系数高达5300WmK,高于碳纳米管和金刚石，常温下其 电子迁移率*超过15000cmVs,又比纳米碳管或硅晶体*高，而电阻率只约10-6 2cm,比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子 迁移的速度极快，国此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元 件或品体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制选透明 触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。 石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应
石墨烯 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以 sp2 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格 的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是世上最薄却也是最坚硬 的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收 2.3%的光，导热系数高达 5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过 15000 cm2/V·s，又 比纳米碳管或硅晶体（monocrystalline silicon）高，而电阻率只约 10-6 Ω·cm，比 铜或银更低。石墨烯适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。[1] 发现人 Geim、 Novoselov 导热系数 5000W/(m K) 杨氏模量 1100GPa 电子迁移率 15000cm2/(v s) 可见光透过 率 >97% 应用领域 能源、材料、电子、生物医药 外文名 graphene 理论比表面 积 2630m2/g 断裂强度 130GPa 发现时间 2004 年 中文名 石墨烯 1 材料简介 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种 由碳原子以 sp2 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚 度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至 2004 年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功 地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维 石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得 2010 年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料 ，它几乎是完全透明的，只吸 收 2.3%的光"；导热系数高达 5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其 电子迁移率*超过 15000 cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体*高，而电阻率只约 10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子 迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元 件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明 触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。 石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应
石墨怖的碳原子排列与石墨的单原子层需同，是碳原子以$即2混成轨域呈蜂 巢晶格honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳 原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨)+ ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。 石墨烯的结构非常稳定，碳碳键(carbon-carbon bond)仅为1.42A。石墨烯 内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形， 使得碳原子不必重新排列来造应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构 使石墨烯具有优秀的导热性。 石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒 烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形（等角六边形），如果有五边形和七 边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。 石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管：另外石墨烯还被做成弹道晶体管 (ballistic transistor)并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月，佐治亚 理工学院研究员宣布，他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了 量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路 石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料 非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺 寸结构非常特殊，必须用量子场论才能描绘。 石墨烯是一种二维晶体，人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平 面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的 石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。 发展简史。第一：石墨烯是世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚 度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100纳米），那么它会能承 受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂：第二：石墨烯是世界上导电性最好的 材料。 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广 泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材科等。根据其优异的导电 性，使它在微电子领城也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品， 制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以
石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以 sp2 混成轨域呈蜂 巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳 原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的 graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。 石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为 1.42Å。石墨烯 内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形， 使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构 使石墨烯具有优秀的导热性。 石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒 烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七 边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12 个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。 石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管；另外石墨烯还被做成弹道晶体管 （ballistic transistor）并且吸引了大批科学家的兴趣 。在 2006 年 3 月，佐治亚 理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了 量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路. 石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料 非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺 寸结构非常特殊，必须用量子场论才能描绘。 石墨烯是一种二维晶体，人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平 面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的 石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。 发展简史。第一：石墨烯是世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚 度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约 100 纳米），那么它会能承 受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二：石墨烯是世界上导电性最好的 材料。 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广 泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电 性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品， 制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以
使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新 能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适 用于作为电极材料助剂。 2研究历史 石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国受彻斯特大学的两位科学 家安德烈杰姆和克斯特亚诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到 越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后把薄片的两面粘在一种 特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样採作，于是薄片 越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以 后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，把石墨烯带入 工业化生产的领域已为时不远了。因此，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常 的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子 科技领城引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导 体和导体，例如硅和铜远没有石墨怖表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的 半导体和导体用热的形式释放了一些能量，一般的电脑芯片以这种方式浪费了 72%81%的电能，石墨烯则不同，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。 3分子结构 石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成 零维(OD)的富勒烯(fullerene,)卷成一维(1D)的碳钠米管(carbon nano-tube,CNT或 者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite,国此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单 元。 石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是最理想的二维 纳米材料。理想的石墨烯结构是平面六边形，点阵，可以看作是一层被剥离的石 墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π健， π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成 所有$p2杂化碳质材料的基本组成单元。 4材料区别
使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新 能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适 用于作为电极材料助剂。 2 研究历史 石墨烯出现在实验室中是在 2004 年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学 家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到 越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后把薄片的两面粘在一种 特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片 越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以 后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过 5 年的发展，人们发现，把石墨烯带入 工业化生产的领域已为时不远了。 因此，两人在 2010 年获得诺贝尔物理学奖。 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常 的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子 科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导 体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的 半导体和导体用热的形式释放了一些能量，一般的电脑芯片以这种方式浪费了 72%-81%的电能，石墨烯则不同，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。 3 分子结构 石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构, 它可以翘曲成 零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或 者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单 元。 石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是最理想的二维 纳米材料.。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石 墨分子，每个碳原子均为 sp2 杂化，并贡献剩余一个 p 轨道上的电子形成大 π 键， π 电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成 所有 sp2 杂化碳质材料的基本组成单元。 4 材料区别
碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣。自富勒烯和碳纳米管被科学家 发现以后，三维的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成 了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片层结构一直以来是研究的一个热点。 石墨本体并非是真正意义的二维材料，单层石墨碳原子层(Graphene)才是准二维 结构的碳材料。石墨可以看成是多层石墨烯片堆垛而成，而前面介绍过的碳纳术 管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。当石墨烯的晶格中存在五元环的晶格时，石 墨烯片会发生翘曲，富勒球可以便看成通过多个六元环和五元环按照适当顺序排 列得到的。 5材料特性 电子运输 石墨烯在发现石墨烯以前，大多数（如果 不是所有的话)物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存 在。所以，它的发现立即震越了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的 二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这 些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。 石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导 =2eh,6eh,10eh.为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为 已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。 导电导热特性 石墨烯结构非常稳定，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨 烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形， 从而使碳原子不必重新排列来造应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格 结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格
碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣。自富勒烯和碳纳米管被科学家 发现以后，三维的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成 了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片层结构一直以来是研究的一个热点。 石墨本体并非是真正意义的二维材料，单层石墨碳原子层(Graphene)才是准二维 结构的碳材料。石墨可以看成是多层石墨烯片堆垛而成，而前面介绍过的碳纳米 管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。当石墨烯的晶格中存在五元环的晶格时，石 墨烯片会发生翘曲,富勒球可以便看成通过多个六元环和五元环按照适当顺序排 列得到的。 5 材料特性 电子运输 石墨烯在发现石墨烯以前，大多数（如果 不是所有的话）物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存 在。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的 二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这 些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。 石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导 =2e²/h,6e²/h,10e²/h. 为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为 已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。 导电导热特性 石墨烯结构非常稳定，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨 烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形， 从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格 结构使碳原子具有优秀的导电性。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。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周 围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的千扰也非常小。 石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了 电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载 荷子"(electric charge camrier)),的性质和相对论性的中微子非常相似。 石墨炜有相当的不透明度：可以吸收大约23%的可见光。而这也是石墨烯 中载荷子相对论性的体现。 加州大学河滨分校(UCRiverside)的Alexlander Balandin教授及其研究小组 成员应用拉受光谱偏移测量手段，测得悬空的单层石墨烯在室温下可拥有4840 WmK的高热导率。石墨烯的高热导率特性也进一步支持石墨烯作为新电子器 件材料的应用前景。 机械特性 石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢 铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的 研究。在试验过程中，他们选取了一些直径在10一20微米的石墨烯微粒作为研 究对象。研究人员先是把这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板 上，这些孔的直径在1一1.5微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些 放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。 研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承 受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施 加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度 相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多 两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它会能 承受大约两吨重的物品。 电子的相互作用 利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯伯 克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：石墨烯中电子间以及电子 与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用
缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周 围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。 石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的 1/300，远远超过了 电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载 荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。 石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约 2.3%的可见光。而这也是石墨烯 中载荷子相对论性的体现。 加州大学河滨分校（UCRiverside）的 Alexlander Balandin 教授及其研究小组 成员应用拉曼光谱偏移测量手段，测得悬空的单层石墨烯在室温下可拥有 4840 W/mK 的高热导率。石墨烯的高热导率特性也进一步支持石墨烯作为新电子器 件材料的应用前景。 机械特性 石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢 铁还要高上 100 倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的 研究。在试验过程中，他们选取了一些直径在 10—20 微米的石墨烯微粒作为研 究对象。研究人员先是把这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板 上，这些孔的直径在 1—1.5 微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些 放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。 研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每 100 纳米距离上可承 受的最大压力居然达到了大约 2.9 微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施 加 55 牛顿的压力才能使 1 微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度 相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约 100 纳米）石墨烯，那么需要施加差不多 两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它会能 承受大约两吨重的物品。 电子的相互作用 利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯·伯 克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：石墨烯中电子间以及电子 与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用