石墨烯基础知识简介.docx

文档介绍：WORD整理版
（ Graphene）的结构
石墨烯是一种由碳原子以 sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄
膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。 如图 所示， 石墨烯的原胞由晶
格矢量 a1和 a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于 A 和 B 的晶格上。 C原子
外层 3 个电子通过 sp2杂化形成强 σ 键（蓝），相邻两个键之间的夹角 120°，第
4 个电子为公共，形成弱 π 键（紫）。石墨烯的碳 - 碳键长约为 ，每个晶格内有三个 σ 键，所有碳原子的 p轨道均与 sp2杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域 π 键，其贯穿整个石墨烯。
如图 所示，石墨烯是富勒烯（ 0 维）、碳纳米管（ 1 维）、石墨（3 维）
的基本组成单元， 可以被视为无限大的芳香族分子。 形象来说， 石墨烯是由单层
碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构， 看上去就像由六边形网格构成的平面。每个碳原子通过 sp2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实
际上类似一个苯环， 每一个碳原子都贡献一个未成键的电子， 单层石墨烯的厚度
仅为 ，约为头发丝直径的二十万分之一。
图 （ a）石墨烯中碳原子的成键形式 （ b）石墨烯的晶体结构。
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图 石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图
石墨烯按照层数划分， 大致可分为单层、 双层和少数层石墨烯。 前两类具有
相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属） ，具
有空穴和电子两种形式的载流子。 双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石
墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两
片石墨烯之间会产生明显的带隙， 但是通过设计双栅结构， 能使其晶体管呈示出
明显的关态。
单层石墨烯（ Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期
性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
双层石墨烯（ Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构
（即六角形蜂巢结构） 周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式 （包括 AB堆垛，
AA堆垛， AA‘ 堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
少层石墨烯（ Few-layer or multi-layer graphene）：指由 3-10层以苯环
结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括 ABC
堆垛， ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
石墨烯（ Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少
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层石墨烯的统称。
由于二维晶体在热力学上的不稳定性， 所以不管是以自由状态存在或是沉积
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观尺度的褶皱， 蒙
特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。 这种微观褶皱在横向上的尺度在
8~10nm范围内，纵向尺度大概为 ~。这种三维的变化可引起静电的产生，所以使石墨单层容易聚集。同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学及光学性质也不同。