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石墨烯是由碳原子構 成的二維晶體，碳原子排列與石 墨的單原子層一樣(蜂窩狀--英語：'honeycomb')。

Graphene(石墨烯) 是其英文名，石墨烯的命名來自英文的 graphite(石墨) + -ene(烯類結尾)，有人使用「單層石墨」作為稱呼。 ^[2] 我們暫且將它稱為(石墨烯)。^[3] 石墨就是許多石墨烯薄膜堆疊而成。石墨烯是的sp2雜化碳原子形成的厚度僅為單層原子的排列成蜂窩狀六角平面晶體。在石墨烯中，碳碳鍵長為0.142納 米。石墨烯是構成下列碳同素異型體的基本單元：例如：石墨，碳納米管和富勒烯。

Graphene(石墨烯)在2004年被曼 徹斯特大學A.K.Geim 領導研究組發現。^{[4] [5]}. Geim 和他的同事偶然中發現了一種簡單易行的新途徑製備石墨烯。他們將石墨片放置在塑料膠帶中， 摺疊膠帶粘住石墨薄片的兩側，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重複這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構成——他 們製得了石墨烯。當然，僅僅是製備是不夠的。如果將其放置在鍍有在一定厚度的氧化硅的硅片上。 利用光的干涉效應，他們可以很容易在顯微鏡下找到這些石墨烯。近期，學者研究石墨烯在各種不同材料基底表面的可見度和對比度，同時也提供一種簡單易行可見 度增強方法。^[6]

石墨烯簡介

完美的石墨烯是二維的, 它只包括六邊形(等角六邊形); 如果有五邊形和七邊形存在,那麼他們構成石墨烯的缺陷。如果少量的五角形會使石墨烯翹曲入形狀; 12個五角形的會形成富勒烯(fullerene)。

碳 納米管(nanotube)也被認為是捲成圓桶的石墨烯^[7]； 另外石墨烯還被做成彈 道輸運電晶體(ballistic transistor)並且吸引了大批科學家的興趣 。在2006年3月, 佐 治亞理工學院(Georgia Institute of Technology) 研究員宣布, 他們成功地製造了石墨烯平 面場效應電晶體並觀測到了量子干涉效應。並基於此研究出根據石墨烯為基礎的電路. ^[8]

石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都 快。石墨烯 在原子尺度上結構非常特殊，必須用相對論量子物理學(relativistic quantum physics)才能描繪。 　　石墨烯結構非常穩定，碳碳鍵僅為1.42埃。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排 列來適應外力，也就保持了結構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而 發生散射。由於原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

目前有三種方法製備石墨烯,一 種是加熱SiC的方法另一種是輕微摩擦法或撕膠帶法 ^[9]. 第三種是化學分散法.^[10].

撕膠帶法/輕微摩擦法

最普通的是微機械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。 2004年Geim等用這種方法製備出了單層石墨烯，並可以在外界環境下穩定存在。典型製備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進行摩擦，體 相石墨的表面會產生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。但缺點是此法是利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不 易控制，無法可靠地製造長度足供應用的石墨薄片樣本。

碳化硅表面外延生長

該法是通過加熱單晶SiC脫除Si，在單 晶(0001) 面上分解出石墨烯片層。^[11] 具體過程是：將經氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除後，將樣品加熱使之溫 度升高至1250~1450℃後恆溫1min~20min，從而形成極薄的石墨層，經過幾年的探索，Berger等人已經能可控地製備出單層或是多層石墨 烯。在C-terminated表面比較容易得到高達100層的多層石墨烯。其厚度由加熱溫度決定，製備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。

金 屬表面生長

　　取向附生法是利用生長基質原子結構「種」出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然後冷卻，冷卻到850℃後,之 前吸收的大量碳原子就會 浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子「孤島」 布滿了整個基質表面，最終它們可長成完整的一層石 墨烯。第一層覆蓋 8 0 ％後，第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產生強烈的交互作用，而第二層後就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現令人滿意。但採 用這種方法生產的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質之間的黏合會影響碳層的特性。另外Peter W.Sutter等使用的基質是稀有金屬釕。

氧 化減薄石墨片法

石墨烯也可以通過加熱氧化的辦法一層一層的減薄石墨片，從而得到單、雙層石墨烯。 ^[12]

氨還原法

化學分散法.^[

解納米管法

Figure 3. 石墨烯的能帶結構

在發現graphene以前，大多數（如果不是所有的 話）物理學家認為，熱 力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發現立即震撼了凝 聚態物理界。雖然理論和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩定存在,但是單層石墨烯在實驗中被製備出來。這些可能歸結於 graphene在納米級別上的微觀扭曲。^[14]

Graphene還表現出了異常的整數量 子霍爾效應。其霍爾電導=2e²/h,6e²/h,10e²/h.... 為量 子電導的奇數倍，且可以在室溫下觀測到。這個行為已被科學家解釋為「電子在graphene里遵守相 對論量子力學，沒有靜質量(massless electron)」。

2007年，先後三篇文章聲稱在graphene的p-n或p-n-p結中觀察到了分數量子霍爾效應行為。物理 理論家已經解釋了這一現象。^[15][16][17] 2009年，美國兩個實驗小組分別在graphene中觀測到了填充數為1/3的分數量 子霍爾效應。^{[18] [19]}日 前，Geim教授對於石墨烯研究進展和未來展望撰寫了文章。^[20][21]。

氧化石墨烯(graphene oxide)

通過對石墨烯進行氧化及化工處理，然後使他們漂浮在水中，石墨烯會剝落 並形成有強力鍵的單層。這些被稱為氧 化石墨烯的層狀材料被測量到具有32 GPa的拉 伸模數^[22]。

單分子探測

石墨烯獨特的二維特點使之在傳感器領域具有光明的應用前景。巨大的表面積使之對周圍的環境非常敏感。即使 是一個氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。當 然這目前檢測可以分為直接和間接檢測。通過TEM可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程。^[23] 通過測量霍爾效應的辦法通過霍爾電阻的變化間接檢測單原子的吸附和釋放過程。^[24]

石墨烯良好的導電性能和透光性能使之在透明導電電極方面有非常好的應用前景。比如觸摸屏, 液 晶顯示, 有 機光伏電池, and 有 機發光二極管. 特別是,石墨烯對比此前常用材料摻 銦氧化錫有無比的機械強度和卓越的柔韌性。 ^[25][26]

目前，已有通過化學氣相沉積的辦法將石墨烯製成光伏器件的陽極，並得到高達1.71%能量轉換效率。^[27]

場發射源及其真空電子器件

早在2002年，垂直於基底表面的石墨烯納米牆就被成功製備出來。^[28] 它被看作是非常優良場致發無線電子源材料。^[29] 最近關於單片石墨烯的電場致電子發射效應也見諸報道。

Graphene is an atomic-scale honeycomb lattice made of carbon atoms.

Image of graphene in a transmission electron microscope.

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