1.2　结构与性质

石墨烯可以看作是单层石墨，是除了金刚石外所有碳晶体（富勒烯、碳纳米管和石墨）的基本结构单元。石墨烯中碳原子以sp²杂化轨道组成六角形呈蜂巢状的二维平面结构，如图1-1所示：碳原子一个2s电子与2p_x和2p_y上的电子通过sp²杂化，与相邻的三个碳原子结合，在平面内形成三个等效的强σ键，键长约0.142nm，键角为120°；另一个2s轨道上的电子受激跃迁至2p_z轨道，在垂直于平面的方向形成离域π键，贯穿整个石墨烯；石墨烯厚度约为0.34nm。

图1-1　石墨烯的晶格结构图（a）与石墨烯中碳原子成键形式图（b）

石墨烯的能带结构如图1-2所示^［13］，其导带与价带相交于布里渊区的K/K'点，带隙为零，电子能谱——电子的能量与动量之间呈线性关系。此时处于K/K'点附近的电子运动不能再用传统的薛定谔方程描述，而是通过狄拉克方程进行解释，因此该点也称为狄拉克点。

图1-2　石墨烯的能带结构^［13］

石墨烯的这一晶体结构和能带结构的高度对称性决定了其独特的性质。石墨烯是已知的力学强度最高的材料，拉伸强度可达130.5GPa，杨氏模量为1TPa^［14］。石墨烯在狄拉克点附近的电子静止有效质量为零，为典型的狄拉克费米子特征，费米速度约10⁶m/s。悬浮的石墨烯在载流子浓度为10¹²/cm²时其室温载流子迁移率可达200000cm²/（V·s），即使是在SiO₂/Si基底上受到基底声子散射的影响，仍可达40000cm²/（V·s），面电阻为约30Ω/。通过电场调节，石墨烯可以为n型，也可以为p型，即具有双极性电场效应。石墨烯具有优异的透光性能，单层石墨烯在400～800nm范围内的光吸收率仅有2.3%，反射率可忽略不计^［16］。石墨烯的热导率高达5300W/（m·K）^［17］，高于金刚石［1000～2200W/（m·K）］、单壁碳纳米管［3000～3500W/（m·K）］等碳材料。通过对石墨烯引入特定的缺陷或掺杂，可以使石墨烯具有磁性^［18］，而两层石墨烯通过特定角度堆垛，则会有优异的超导特性^{［19，20］}。总体而言，随着石墨烯各种性能的深入研究以及新性能的发现，其在电子、航天军工、新能源、新材料、生物医药等诸多领域都展示了巨大应用空间。

需要指出的是，实际上，不论是自由悬浮还是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整的，蒙特卡洛模拟和透射电子显微镜都表明，自由悬浮的石墨烯在表面存在本征的微观尺度的褶皱，以补偿其热力学不稳定。这种微观褶皱在横向上的尺度在8～10nm范围内，纵向尺度约为0.7～1.0nm，因此，严格地讲，石墨烯并不是百分之百平整的完美平面，与Mermin-Wagner理论并不矛盾，如图1-3所示^［21］。而在基底上的石墨烯，则会根据与基底结合力的大小而不同程度地适应基底的形貌。

图1-3　石墨烯的表面起伏^［21］