1、2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈蓋姆和康斯坦丁 諾 沃肖洛夫，用高度定向的熱解石墨首次獲得了獨立存在的高質(zhì)量石墨 烯，打破了傳統(tǒng)的物理學(xué)觀點:二維晶體在常溫下不能穩(wěn)定存在。兩 人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯是一種碳原子分布在二維蜂巢晶體點陣上的單原子層晶體。被 認(rèn)為是構(gòu)建所有其他維數(shù)石墨材料的基本單元，它可以包裹成零維的 富勒烯，卷曲成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨，如圖所示。 石墨烯晶體C-C鍵長為0.142nm，每個碳原子4個價電子中的3個 通過。鍵與臨近的3個碳原子相連，S、Px和Py3個雜化軌道形成 強的共價鍵合，組成sp2雜化結(jié)構(gòu)。這些。鍵賦予了石墨烯

2、極其優(yōu)異 的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。拉伸強度高達(dá)130Gpa，破壞強度為42n /m， 楊氏模量為1.0TPa,斷裂強度為125Gpa與碳納米管相當(dāng)。石墨烯的 厚度僅為0.35nm左右，是世界上最薄的二維材料。石墨烯一層層疊 起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙 上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。（百度 百科）石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強100倍，甚至還要超過鉆石，是 已知的世上最薄、最堅硬的納米材料。石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖（10）石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管， 用來生產(chǎn)未來的超級計算機(jī)。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅，由 于電子

3、和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能 量，2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費了72%-81%的電能。而在 石墨烯中，每個碳原子都有一個垂直于碳原子平面的。z軌道的未成 鍵的p電子，在晶格平面兩側(cè)如苯環(huán)一樣形成高度巡游的大n鍵， 可以在晶體中自由高效的遷移，且運動速度高達(dá)光速的1/300，電子 能量不會被損耗，賦予了石墨烯良好的導(dǎo)電性。晶格平面兩側(cè)高度巡 游的大n鍵電子又使其具有零帶隙半導(dǎo)體和狄拉克載流子特性寬 頻的光吸收和非線性光學(xué)性質(zhì)，以及室溫下的量子霍爾效應(yīng)等。常溫 下石墨烯電子遷移率超過15000cm2/Vs，比納米碳管或硅晶體高，而 電阻率只約為10-6Q-cm，

4、比銅或銀更低，是世上電阻率最小的材料。 用石墨烯取代硅，計算機(jī)處理器的運行速度將會快數(shù)百倍。這些優(yōu)異 的性能使石墨烯在太陽能電池、觸摸屏、場效應(yīng)晶體管、高頻器件、 自旋器件、場發(fā)射材料、靈敏傳感器、高性能電池和超級電容、微納 機(jī)電器件及復(fù)合材料諸多領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用。石墨烯是新一代的透明導(dǎo)電材料，在可見光區(qū)，四層石墨烯的透過率 與傳統(tǒng)的I TO薄膜相當(dāng)，在其它波段，四層石墨烯的透過率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 ITO薄膜。石墨烯幾乎是完全透明的，透光率高達(dá)97.4%。另一方面， 它非常致密，即使是最小的氣體原子（氫原子）也無法穿透。并且石 墨烯導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m K，高于碳納米管和金剛石。這些特征 使得它

5、非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā) 光板和太陽能電池板。5此外，石墨烯具有超大的比表面積，理論值為2630 m2 . g-1 ；熱導(dǎo)率達(dá) 5000 W m-1K-1，是金剛石的3倍；還具有零半導(dǎo)體特性、亞格子對 稱性、室溫量子霍爾效應(yīng)及室溫鐵磁性等特殊性質(zhì)。同時，石墨烯還 具有高平整性、熱穩(wěn)定性、相對輕的質(zhì)量和相對穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)等特 性，使得石墨烯成為理想的新型材料作為碳納米材料家族的新成員， 石墨烯相對穩(wěn)定的特性和其具有的二維層狀納米結(jié)構(gòu)使得石墨烯在 催化、電子元件、氣敏元件領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景。而且研究發(fā)現(xiàn)， 石墨烯在燃料電池領(lǐng)域中具有比其他碳納米材料更優(yōu)異的潛能，是

6、 當(dāng)前電極材料的極佳選擇.研究發(fā)現(xiàn)石墨烯存在雙極性電場效應(yīng)，具 有極大的載流子濃度，超高的載流子遷移率和亞微米尺度的彈性輸運 等特性，這些優(yōu)異的性能引起了物理學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)等科研領(lǐng)域的 廣泛關(guān)注。掀起了繼富勒烯和碳納米管后的又一次碳材料研究熱潮。 石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將 “徹底改變21世紀(jì)”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新 產(chǎn)業(yè)革命。1（9）（2）石墨烯獨特的性能與其電子能帶結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。石墨烯的每個晶胞由 兩個原子組成，產(chǎn)生兩個錐頂點，使得每個布里淵區(qū)里相對應(yīng)的能帶 均能發(fā)生交叉，且交叉點附近的電子能E取決于波矢量。石墨烯電子 能帶結(jié)構(gòu)以獨立

7、碳原子為基，將周圍碳原子產(chǎn)生的勢作為微擾，可以 用矩陣的方法計算出石墨烯的能級分布。在狄拉克點（Dirac Point） 附近展開，可得能量與波矢呈線性關(guān)系（類似于光子的色散關(guān)系）， 且在狄拉克點出現(xiàn)奇點（singularity）。這意味著在費米面附近，石 墨烯中電子的有效質(zhì)量為零，這也解釋了該材料獨特的電學(xué)等性質(zhì)。石墨烯電子能帶結(jié)構(gòu)（百度百科） 然而，由于石墨烯沒有能帶隙，使得其電導(dǎo)性不能像傳統(tǒng)的半導(dǎo)體一 樣完全被控制，而且石墨烯表面光滑且呈惰性，不利于與其他材料的 復(fù)合，從而阻礙了石墨烯的應(yīng)用。近年來，研究者努力探索改善石墨 烯性質(zhì)的方法，其中，石墨烯摻氮在拓展石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域方面起著 關(guān)

8、鍵作用。石墨烯摻氮，可以打開能帶隙并調(diào)整導(dǎo)電類型，改變石墨烯的電 子結(jié)構(gòu)，提高石墨烯的自由載流子密度，從而提高石墨烯的導(dǎo)電性能 和穩(wěn)定性。此外，在石墨烯的碳網(wǎng)格中引入含氮原子結(jié)構(gòu)，可以增加 石墨烯表面吸附金屬粒子的活性位，從而增強金屬粒子與石墨烯的相 互作用。（6）石墨烯晶格常數(shù)n的實驗值為0.246nm，為了得到更準(zhǔn)確的值，對 其附近不同晶格常數(shù)的石墨烯進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果如圖1所示。從圖 1可以看出，隨著晶格常數(shù)a的增加，總能量Eg先減小后增大，最 小值點對應(yīng)的橫坐標(biāo)就是石墨烯的最佳晶格常數(shù)，其值為0.2462nm， 以下計算均采用此值。在石墨烯蜂窩狀平面上，共有3個高對稱吸附 位，分別為頂位

9、（T ）、橋位（B ）、間隙位（H ），它們分別位于 石墨烯碳原子的正上方、碳碳鍵正上方、六邊形碳環(huán)正上方，如圖圖1 不同晶格常敷下的石基蜂的善能*矛卷略K 3趣也圖1 不同晶格常敷下的石基蜂的善能*矛卷略K 3趣也3個禹站稱暇附席 的胡視和佃噸留0尊摟架名基怵吸弛H 時此何結(jié)韻0.2455024600.246 50.247 0af/nm(4)2 7913 -2 791.612(a)所示。圖2石墨烯結(jié)構(gòu)但是，本征石墨烯零帶隙的特點也給其在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用帶來 了困難，如漏電流大、開關(guān)比低等；同時獲得p型和n型石墨烯也 是其應(yīng)用于電子信息器件的必要條件.因此對石墨烯可控的進(jìn)行摻 雜和能帶調(diào)控具

10、有極大挑戰(zhàn)，成為國際上研究的熱點.本征石墨烯的價帶和導(dǎo)帶在布里淵區(qū)中心呈錐形接觸，因此是零帶 隙的半導(dǎo)體或半金屬；又由于其能量色散關(guān)系為線性，載流子有效 質(zhì)量為零，載流子運動方程要用含相對論效應(yīng)的狄拉克方程描述， 因此載流子稱為狄拉克載流子，圖1為石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)圖.這 種零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)容易受到各種因素，如外電場、表面吸附、晶 格變形、晶格替換摻雜等的影響而發(fā)生改變 與半導(dǎo)體類似的形成摻 雜效應(yīng)，使石墨烯的費米面從狄拉克錐點進(jìn)行上移或下移（圖1）, 從而使主要載流子變成電子型或空穴型，進(jìn)而可以有效的打開石墨 烯的帶隙。圖1 I一圖:本征單石跟烯的能帶結(jié)構(gòu)（左）;石墨烯狄拉克點處能 帶的放大圖四（右）;下圖:石墨炯狄拉克山位置和黃米能繳隨著摻雜 變化的蜻理圖，從左到右分別為n型摻雜、本征和p型摻雜石墨烯皿 Figuie 1 Iop: tlic baind stmciuie nf graphene in the liuncycninb lattice （left） andof the energy bands close to one of the Dirac poiiHs（right h Bottom; a sch-ciiiatic di a