石墨烯的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與應(yīng)用有哪些？講起石墨烯當(dāng)下真的是大熱，很多人可能不了解，但石墨烯的存在和它的萬能屬性卻是毋庸置疑，這也是很多人用完石墨烯的產(chǎn)品后贊不絕口的原因，那么石墨烯的石墨烯的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與應(yīng)用是什么？讀完這篇文章你或許就能理解什么是萬能的石墨烯了，欲知更多可直接撥打電話：15012580903/0755-85268159了解石墨烯的詳細(xì)情況或點(diǎn)擊→www.szwtxdjn.com登錄官網(wǎng)了解。

1.石墨烯（Graphene）的結(jié)構(gòu)

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢狀晶格的平面薄膜，是一種只有一個(gè)原子層厚度的二維材料。如圖1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定義每個(gè)原胞內(nèi)有兩個(gè)原子，分別位于A和B的晶格上。C原子外層3個(gè)電子通過sp2雜化形成強(qiáng)σ鍵（藍(lán)），相鄰兩個(gè)鍵之間的夾角120°，第4個(gè)電子為公共，形成弱π鍵（紫）。石墨烯的碳-碳鍵長(zhǎng)約為0.142nm，每個(gè)晶格內(nèi)有三個(gè)σ鍵，所有碳原子的p軌道均與sp2雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個(gè)離域π鍵，其貫穿整個(gè)石墨烯。

圖 1.1（a）石墨烯中碳原子的成鍵形式 （b）石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)。

如圖1.2所示，石墨烯是富勒烯（0維）、碳納米管（1維）、石墨（3維）的基本組成單元，可以被視為無限大的芳香族分子。形象來說，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢狀的晶格結(jié)構(gòu)，看上去就像由六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。每個(gè)碳原子通過sp2雜化與周圍碳原子構(gòu)成正六邊形，每一個(gè)六邊形單元實(shí)際上類似一個(gè)苯環(huán)，每一個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)未成鍵的電子，單層石墨烯的厚度僅為0.335nm，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。

圖1.2石墨烯原子結(jié)構(gòu)圖及它形成富勒烯、碳納米管和石墨示意圖

石墨烯按照層數(shù)劃分，大致可分為單層、雙層和少數(shù)層石墨烯。前兩類具有相似的電子譜，均為零帶隙結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體（價(jià)帶和導(dǎo)帶相較于一點(diǎn)的半金屬），具有空穴和電子兩種形式的載流子。雙層石墨烯又可分為對(duì)稱雙層和不對(duì)稱雙層石墨烯，前者的價(jià)帶和導(dǎo)帶微接觸，并沒有改變其零帶隙結(jié)構(gòu)；而對(duì)于后者，其兩片石墨烯之間會(huì)產(chǎn)生明顯的帶隙，但是通過設(shè)計(jì)雙柵結(jié)構(gòu)，能使其晶體管呈示出明顯的關(guān)態(tài)。

單層石墨烯（Graphene）：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。

雙層石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

少層石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

石墨烯（Graphenes）：是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱。

由于二維晶體在熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性，所以不管是以自由狀態(tài)存在或是沉積在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微觀尺度的褶皺，蒙特卡洛模擬和透射電子顯微鏡都證明了這一點(diǎn)。這種微觀褶皺在橫向上的尺度在 8~10nm 范圍內(nèi)，縱向尺度大概為 0.7~1.0nm。這種三維的變化可引起靜電的產(chǎn)生，所以使石墨單層容易聚集。同時(shí)，褶皺大小不同，石墨烯所表現(xiàn)出來的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)也不同。

圖1.3 單層石墨烯的典型構(gòu)象

除了表面褶皺之外，在實(shí)際中石墨烯也不是完美存在的，而是會(huì)有各種形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元環(huán)，七元環(huán)等）、空洞、邊緣、裂紋、雜原子等。這些缺陷會(huì)影響石墨烯的本征性能，如電學(xué)性能、力學(xué)性能等。但是通過一些人為的方法，如高能射線照射，化學(xué)處理等引入缺陷，卻能有意的改變石墨烯的本征性能，從而制備出不同性能要求的石墨烯器件。

2.石墨烯的性質(zhì)

2.1 力學(xué)特性

在石墨烯二維平面內(nèi)每一個(gè)碳原子都以σ鍵同相鄰的三個(gè)碳原子相連相鄰兩個(gè)鍵之間的夾角120°，鍵長(zhǎng)約為0.142nm,這些C-C鍵使石墨烯具有良好的結(jié)構(gòu)剛性，石墨烯是世界上已知的最牢固的材料其本征（斷裂）強(qiáng)度可達(dá)130GPa,是鋼的 100多倍楊氏（拉伸）模量為1100GPa。如此高強(qiáng)輕質(zhì)的薄膜材料有望用于航空航天等眾多領(lǐng)域。

2.2 電學(xué)特性

石墨烯的每個(gè)晶格內(nèi)有三個(gè)σ鍵，所有碳原子的p軌道均與sp2雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個(gè)離域π鍵，其貫穿整個(gè)石墨烯。π電子在平面內(nèi)可以自由移動(dòng)使石墨烯具有良好的導(dǎo)電性石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有室溫半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，雙極性電場(chǎng)效應(yīng)，超導(dǎo)電性，高載流子率等優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，其載流子率在室溫下可達(dá)到 1.5×10-1.S6m/s，是光速的1/300）越過禁帶進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價(jià)帶中缺少一個(gè)電子后形成一個(gè)帶正電的空位，成為空穴。導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴合稱為電子-空穴對(duì)，則電子，空穴能自由移動(dòng)成為自由載流子。它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)形成宏觀電流，分別成為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。

石墨烯的每一單位晶格有2 個(gè)碳原子導(dǎo)致其在每個(gè)布里淵區(qū)有兩個(gè)等價(jià)錐形相交點(diǎn)(K和K′)點(diǎn)，再相交點(diǎn)附近其能量于波矢量成線性關(guān)系。因此，使得石墨烯中的電子和空穴的有效質(zhì)量均為零，所有電子，空穴被稱為狄拉克費(fèi)米子。相交點(diǎn)為狄拉克點(diǎn)，在其附近能量為零，古石墨烯的帶隙（禁帶）為零。石墨烯獨(dú)特的載流子特性和無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子屬性使其能夠在室溫下觀測(cè)到霍爾效應(yīng)和異常的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差）。表明了其獨(dú)特的載流子特性和優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)。

石墨烯的室溫載流子遷移率實(shí)測(cè)值達(dá)15000cm2/V·s(電子密度100e4h-5Ω1+0.5π2≈1-eεhc=0α0137，e是光子的電荷、C為光速αα8~104 cm2/Vs）使其在場(chǎng)效應(yīng)晶體管領(lǐng)域具有十分廣闊的前景。不過由于石墨烯是零帶隙結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)器件的關(guān)態(tài)，因而開關(guān)比很低，這在一定程度上阻礙了石墨烯的應(yīng)用。

3. 石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域

石墨烯發(fā)熱膜的應(yīng)用在健康理療上體現(xiàn)的非常突出和優(yōu)秀。發(fā)熱速度極快，比如墻暖畫的表面溫度能在一分鐘內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，其電熱轉(zhuǎn)化率接近100%。除了石墨烯發(fā)熱膜的應(yīng)用外，發(fā)熱畫的畫面釆用特殊工藝和材質(zhì)制成，除有裝飾的藝術(shù)美感外，在發(fā)熱時(shí)還釋放出有益于人體健康的遠(yuǎn)紅外光波，熱能輻射率達(dá)87%以上，這是目前其他任何材料所無法相比的。讓室內(nèi)的人體猶如置身無風(fēng)“冬日暖陽”一樣，取暖保健兼得。區(qū)別于空調(diào)、油汀、地暖等傳統(tǒng)的取暖設(shè)備，石墨烯發(fā)熱畫更舒適、更節(jié)能、不干燥、無噪音、既不缺氧也無光污染等特點(diǎn)，是科技改變生活的經(jīng)典創(chuàng)新之作。

經(jīng)過以上的介紹相信大家對(duì)石墨烯的性質(zhì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)有所了解，欲知更多詳情與細(xì)節(jié)可點(diǎn)擊→深圳市維特欣達(dá)科技有限公司前往官網(wǎng)，或直接撥打電話：15012580903/0755-85268159了解。