石墨烯结构

石墨烯本质上是石墨（一种丰富的矿物，一种由极其紧密键合的碳原子组成六角形晶格的碳同素异形体）的单原子层。 石墨烯的特殊在于它的sp2杂化健和极低的原子层厚度（0.345纳米）。 这些特性使石墨烯能够打破强度、电力和热传导方面（以及许多其他方面）的性能记录。 现在，我们来探讨一下是什么令石墨烯如此特别，什么样的固有特性将其与其他形式的碳和其他二维结晶化合物区分开来？

基本特征

在2004年分离得到单层石墨烯之前，理论上认为，由于分离时的热不稳定性，二维化合物无法单独存在。 然而，石墨烯的剥离和稳定，大大出乎人们的意料，科学家在随后的很长时间内找出了原因。 通过透射电子显微镜对悬浮石墨烯薄膜研究，科学家们最初认为是石墨烯中轻微的波纹改变了材料的结构。 然而，随后的研究表明，真正的原因在于石墨烯中的碳 - 碳键非常微小而坚固，能够防止热能波动引起的不稳定。

电学特性

石墨烯最有趣的特性之一在于，它是一种具有非常高电导率的零带隙半金属（具有作为电荷载流子的空穴和电子）。 碳原子共有6个电子； 2个在内层，4个在外层。 单个碳原子中的4个外层电子可用于化学成键。在石墨烯中，每个碳原子与二维平面上的其他3个碳原子连接，从而在第三维提供1个自由电子用于电子传导。 这些高迁移性电子称为派（π）电子，位于石墨烯平面的上方和下方。 这些π轨道相互重叠，并有助于增强石墨烯中的碳 - 碳键。 本质上，石墨烯的电学特性由这些π轨道的键合和反键合（价态和导带）决定。

过去50年的综合研究证明，在石墨烯的狄拉克点，电子和空穴的有效质量为零。因为对于布里渊区的6个角落附近的低能量，能量 - 运动关系（激发光谱）呈线性。 这些电子和空穴被称为狄拉克费米子或Graphinos，布里渊区的6个角被称为狄拉克（Dirac）点。 由于狄拉克点处的状态密度为零，电子导电率实际上相当低。 然而，通过掺杂（用电子或空穴）可以调节费米能级，可以获得在室温下比铜等材料更好的导电性。

测试表明，石墨烯的电子迁移率非常高。先前报道的结果高于15,000 cm2·V-1·s-1，理论上的极限为200,000 cm2·V−1·s−1（主要受石墨烯声子散射限制）。 由于石墨烯电子有效质量小，其迁移特性很像像光子。 这些载流子能够传输亚微米的距离而不发生散射；一种被称为弹道传输的现象。 然而，所使用的石墨烯和基底的质量是限制因素。 以二氧化硅基底为例，迁移率最高仅可达40,000cm2·V-1·s-1。

机械强度

石墨烯的另一个突出特征是其固有强度。 由于0.142纳米碳－碳键强度大，石墨烯是迄今发现的最坚固的材料，其极限拉伸强度可达130,000,000,000帕斯卡（或130千兆帕斯卡），而A36结构钢为400,000,000，芳族聚酰胺（凯夫拉）为375,700,000 。 石墨烯不但特别坚固，而且质量非常轻，每平方米仅为0.77毫克（相比之下，1平方米的纸张大约比石墨烯重1000倍）， 一张足以覆盖整个足球场的石墨烯（仅1个原子厚）膜重量将不到1克。

尤其特别的是，石墨烯还具有弹性特征，能够在遭受应力后保持其原有尺寸。 2007年，科学家对悬浮于二氧化硅小孔上的石墨烯薄膜上进行了原子力显微镜（AFM）测试。 试验表明，石墨烯薄膜（厚度介于2至8纳米之间）的弹性常数范围为1-5 N/m ，杨氏模量（不同于三维石墨）为0.5TPa。 然而，这些最高水平的数字是基于不含任何缺陷的石墨烯的理论预测。而目前，完美石墨烯非常昂贵且难以人工再生产，尽管生产技术仍在稳步改进以将降低成本和复杂性。

光学特性

石墨烯吸收高达2.3％白光的能力也是一个独特而有趣的特性，尤其是考虑到它只有1个原子的厚度。 这一现象也是由于其电子特性；电子像无质量的载流子一样，具有非常高的迁移率。 几年前，实验已经证明石墨烯能够吸收的白光的量取决于精细结构常数， 添加另一层石墨烯会增加大致相同的白光吸收量（2.3％）。 石墨烯的不透明度值πα≈2.3％相当于在可见光频率范围内的通用动态电导率值G = e2 / 4 a（±2-3％）。

据观察一旦光强度达到一定阈值（称为饱和通量），饱和吸收就会发生（非常高强度的光导致吸收的降低）。 这是纤维激光器的锁模技术而言是一个重要的特征。 由于石墨烯的波长不敏感和超快饱和吸收的特征，据报导铒掺杂耗散孤立子纤维激光器能够实现全频带模式锁定，且能够对波长进行最大30纳米的调谐。

目前我们对石墨烯特性的了解，仅只是冰山一角。 在应用石墨烯的各种优势和优异特性之前，我们需要花更多的时间来了解到底是什么让它成为一种如此惊人的材料。 这不一定是件坏事，因为它促使我们审视之前的研究不足和其他被忽视的超级材料，例如由石墨烯开始的整个二维晶体材料家族。