文档介绍：第一章石墨烯性能及相关概念
1 石墨烯概念
石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨,,仅有一层碳原子。但实际上,10层以内的石墨结构也可称作石墨烯,而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨,碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构,由六边形晶格组成,×102 m2 /g。石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m•K))和力学性能(×103 GPa)。此外,石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性,×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能,引起科学界巨大兴趣,成为材料科学研究热点。
石墨烯结构图
2 石墨烯结构
石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片,由 sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳-碳键长约为 。每个晶格内有三个σ键,连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元,可以将它看做一个无限大的芳香族分子,平面多环烃的极限情况就是石墨烯。
形象来说,石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构,看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中,每个碳原子通过 sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形,每一个六边单元实际上类似苯环,碳原子都贡献出个一个未成键电子。 ,约为头发丝直径的二十万分之一。
石墨烯的结构非常稳定,碳原子之间连接及其柔韧。受到外力时,碳原子面会发生弯曲变形,使碳原子不必重新排列来适应外力,从而保证了自身的结构稳定性。
石墨烯是有限结构,能够以纳米级条带形式存在。纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒,势垒随条带宽度的减小而增大。因此,通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒。这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础。
石墨烯能带结构图
3 石墨烯性能
石墨烯是一种超轻材料,,的主要性能是: 一是具有超强的导电性。石墨烯的电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高,是硅的100倍,在室温下可以达到15 000cm2 /( V·s) 。电阻率比铝、铜和银低很多,只有10 ~ 6Ω·cm 左右。二是具有超强的导热性。石墨烯的导热性能优于碳纳米管,是铜、铝等金属的数10倍,导热系数高达5300W/m•K。三是具有超强的力学性,石墨烯的硬度超过金刚石,断裂强度达到钢铁的100倍。四是具有超强的透光性。石墨烯的吸光率非常小,透光率高达97. 7%。五是具有超强的比表面积。石墨烯的比表面积每克比普通活性炭高出1130m2,达到2630m2 /g。
石墨烯的光学性能
石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,%的光,具有优异的光学性能。理论和实验结果表明,%的可见光,%。从基底到单层石墨烯、%,因此可以根据石墨烯薄膜的可见光