石墨烯

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发现：2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

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二维碳纳米材料。

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10-10米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能。

石墨烯材料定义

石墨烯联盟标准《石墨烯材料的术语、定义及代号》（T ／CGIA001-2017）定义了“石墨烯材料”的概念为：由石墨烯单独或堆垛而成的、层数不超过10 层的碳纳米材料。

制备方法

机械剥离法、氧化还原法、取向附生法、碳化硅外延法、赫默法、化学气相沉积法（CVD）。

性能

优异的导电、导热、力学和光学特性：单层石墨烯具有巨大的比表面积（2 630 m2／g）；高电子迁移率（~2×105 cm2 ／ （V·s））；高热导率（5 000 W／（m·K））；超高机械强度 （杨氏模量1.1TPa）；高透光率（~97.7%）；良好的化学稳定性。

力学特性

石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可大0.25TPa。由石墨烯薄片组成的石墨纸拥有很多的孔，因而石墨纸显得很脆，然而，经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨纸则会异常坚固强韧。

电子效应

石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/（V·s），这一数值超过了硅材料的10倍，是目前已知载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/（V·s）。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50~500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm2/（V·s）左右。

热性能

石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管（3500W/mK）和多壁碳纳米管（3000W/mK）。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。此外，石墨烯的弹道热导率可以使单位圆周和长度的碳纳米管的弹道热导率的下限下移。

应用

传感器、晶体管、柔性显示屏、新能源电池、海水淡化、储氢材料、航空航天、感光元件、复合材料。

刷题巩固

石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。以下对石墨烯描述不正确的是（ ）

A．是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质

B．安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2005年制备出石墨烯

C．导电性能极佳，电子移动速度远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度

D．导热性超过现有一切已知物质

解析B。安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年制备出石墨烯，B项错误。