石墨烯材料簡介

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1、莂石墨烯材料簡介膇在構成納米材料的眾多元素中，碳元素值得我們格外重視。作為自然界中性質最為奇特的元素，碳（C）在原子周期表中的序號為六，屬于第Ⅳ族。碳原子一般是四價的，最外層有4個電子，可與四個原子成鍵。但是其基態(tài)只有兩個單電子，所以成鍵時總是要進行雜化。由于較低的原子序數，碳原子對外層電子的結合力強，表現出較高的鍵能，容易形成共價鍵，故自然界中碳元素形成的化合物形式豐富多彩。螅關于碳與碳原子之間或碳與其它原子間以共價鍵相結合，有雜化軌道和分子軌道的理論。在形成共價鍵過程中，由于原子間的相互影響，同一個原子中參與成鍵的幾個能量相近的原子軌道可以重新組合，重新分配能量和空間方向，組成數目相等

2、的，成鍵能力更強的新的原子軌道，稱為雜化軌道。在有機化合物中，碳原子的雜化形式有三種：sp3、sp2和sp雜化軌道。以甲烷分子（CH4）為例，碳原子在基態(tài)時的電子構型為1S22S22Px12Py12Pz0按理只有2px和2py可以形成共價鍵，鍵角為90°。但實際在甲烷分子中，是四個完全等同的鍵，鍵角均為109°28′。這是因為在成鍵過程中，碳的2s軌道有一個電子激發(fā)到2Pz軌道，3個p軌道與一個s軌道重新組合雜化，形成4個完全相同的sp3雜化軌道。每個軌道是由s/4與3P/4軌道雜化組成。這四個sp3軌道的方向都指向正四面體的四個頂點，軌道間的夾角是109°28′。得益于碳原子豐富多樣的鍵

3、合方式和強大的鍵合能力，氧、氫、氮等各種元素被有機的組合在一起，形成碳的化合物，最終構成了令人驚嘆的生命體。薄碳元素廣泛存在于自然界，其獨特的物性和多樣的形態(tài)隨著人類文明的進步而逐漸被發(fā)現。由于碳原子之間不同的雜化方式，能形成結構和性質迥異的多種同素異型體，其中最為人知的存在形式是金剛石和石墨。當每個碳原子與四個近鄰碳原子以共價鍵結合（sp3雜化）時，形成各向同性的金剛石。此時，四個價電子平均分布在四個軌道中，形成穩(wěn)定的σ鍵，而且沒有孤電子對的排斥，非常穩(wěn)定。因此金剛石是自然界中堅硬的材料。而當碳原子表現為sp2雜化時，碳原子在同一平面內與三個近鄰原子以共價鍵結合；第四個價電子成為共有化電

4、子：未經雜化的p軌道垂直于雜化軌道，與鄰原子的p軌道成π鍵。當出現多個雙鍵時，垂直于分子平面的所有p軌道就有可能互相重疊形成共軛體系，柔軟的石墨和某些烷烴中的碳原子即以此形式存在。葿正是由于石墨與金剛石分別具有二維和三維的雜化軌道，有人推測碳應該具有其它的形態(tài)存在，以后相繼發(fā)現的以sp2雜化軌道構成的富勒烯和碳納米管以及sp雜化軌道構成的卡賓碳正是上述設想的最好注釋。1.1.11.1.2衿石墨烯的發(fā)現及基本結構薄1985年，英國Sussex大學的H.W.Kroto教授與美國Rice大學R.F.Curl和R.E.Smalley兩位教授合作[4]，在用質譜分析激光蒸發(fā)的石墨電極時發(fā)現了C60，

5、并將其命名為富勒烯（Fullerene），三位教授也因為這一杰出工作而獲得了1996年諾貝爾化學獎。1990年，W.Kratschmer和D.R.Huffman從石墨棒電弧放電產生的煙灰中分離出了毫克級的C60，并得到了C60單晶[5]。1991年，日本NEC公司飯島（S.Iijima）教授在《Nature》雜志上發(fā)表了第一篇關于碳納米管的研究文章[6]。S.Iijima教授是一名杰出的電鏡專家，在對碳材料的研究方面具有相當豐富的經驗。他第一個對石墨棒放電所形成的陰極沉積物仔細地進行了電鏡研究，發(fā)現一種針狀產物，直徑處于4～30nm的范圍，長度約為1mm。高分辨電子顯微鏡研究表明，這些針狀

6、物是由多個碳原子六方點陣的同軸圓柱面套構而形成的空心小管，即所謂的碳納米管。尤其重要的是Iijima教授首次發(fā)現碳納米管中的石墨層可以因卷曲方式不同而具有手性。薄自1985年富勒烯和1991年碳納米管被科學家發(fā)現以后，三維的金剛石、一維的碳納米管、零維的富勒烯球組成了碳系家族。至此，碳的零維、一維、三維結構材料已經被實驗證實可以穩(wěn)定存在的，那么二維的碳薄膜形式是否存在呢？關于準二維晶體的存在性，科學界一直存在爭論。1930年代，Laudau[7]和Peirels[8]等物理學家認為，任何準二維晶體中的原子由于其本身的熱力學不穩(wěn)定性，將偏離晶格位置，導致在有限溫度下都不可能穩(wěn)定存在[9]。M

7、ermin-Wagner理論證實了二維磁性長程有序無法存在[10]，之后又進一步證實了二維晶體長程有序無法穩(wěn)定存在[11]。當時，無數關于二維薄膜材料的實驗都與理論研究結果一致。事實的確如此：隨著薄膜厚度的減小，其熔化溫度迅速減小，薄膜會變得很不穩(wěn)定。一般能保持穩(wěn)定的薄膜厚度需要大約12個原子層厚，低于這個厚度的薄片，要么分割成小塊，要么完全破碎[12-14]。所以長期以來，人們認為長程有序結構在無限的二維體系中無法維持