石墨烯基础知识简介VIP专享

W ORD 整理版 专业学习参考资料 1.石墨烯（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1.1 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0.142nm，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1.2 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0.335nm，约为头 发 丝 直径 的二十 万 分之一。 图 1.1（a）石墨烯中 碳原子的成键形式 （b）石墨烯的晶体 结构。 W ORD 整 理 版 专 业 学 习 参 考 资 料 图 1.2 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...