石墨稀理化性質(zhì)
石墨稀理化性質(zhì)
一、物理性質(zhì)
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
石墨烯內(nèi)部碳原子的排列方式與石墨單原子層一樣以sp2雜化軌道
石墨烯結(jié)構(gòu)圖
石墨烯結(jié)構(gòu)圖
成鍵，并有如下的特點：碳原子有4個價電子，其中3個電子生成sp2鍵，即每個碳原子都貢獻(xiàn)一個位于pz軌道上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌道與平面成垂直方向可形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態(tài)。研究證實，石墨烯中碳原子的配位數(shù)為3，每兩個相鄰碳原子間的鍵長為1.42×10-10米，鍵與鍵之間的夾角為120°。除了σ鍵與其他碳原子鏈接成六角環(huán)的蜂窩式層狀結(jié)構(gòu)外，每個碳原子的垂直于層平面的pz軌道可以形成貫穿全層的多原子的大π鍵（與苯環(huán)類似），因而具有優(yōu)良的導(dǎo)電和光學(xué)性能。
力學(xué)特性
石墨烯是已知強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達(dá)1.0TPa，固有的拉伸強度為130GPa。而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強度，平均模量可大0.25TPa。 由石墨烯薄片組成的石墨紙擁有很多的孔，因而石墨紙顯得很脆，然而，經(jīng)氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨紙則會異常堅固強韌。
電子效應(yīng)
石墨烯在室溫下的載流子遷移率約為15000cm2/（V·s），這一數(shù)值超過
石墨烯構(gòu)成富勒烯、碳納米管和石墨示意圖
石墨烯構(gòu)成富勒烯、碳納米管和石墨示意圖
了硅材料的10倍，是目前已知載流子遷移率最高的物質(zhì)銻化銦（InSb）的兩倍以上。在某些特定條件下如低溫下，石墨烯的載流子遷移率甚至可高達(dá)250000cm2/（V·s）。與很多材料不一樣，石墨烯的電子遷移率受溫度變化的影響較小，50~500K之間的任何溫度下，單層石墨烯的電子遷移率都在15000cm2/（V·s）左右。
另外，石墨烯中電子載體和空穴載流子的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)可以通過電場作用改變化學(xué)勢而被觀察到，而科學(xué)家在室溫條件下就觀察到了石墨烯的這種量子霍爾效應(yīng)。 石墨烯中的載流子遵循一種特殊的量子隧道效應(yīng)，在碰到雜質(zhì)時不會產(chǎn)生背散射，這是石墨烯局域超強導(dǎo)電性以及很高的載流子遷移率的原因。石墨烯中的電子和光子均沒有靜止質(zhì)量，他們的速度是和動能沒有關(guān)系的常數(shù)。
石墨烯是一種零距離半導(dǎo)體，因為它的傳導(dǎo)和價帶在狄拉克點相遇。在狄拉克點的六個位置動量空間的邊緣布里淵區(qū)分為兩組等效的三份。相比之下，傳統(tǒng)半導(dǎo)體的主要點通常為Γ，動量為零。
熱性能
石墨烯具有非常好的熱傳導(dǎo)性能。純的無缺陷的單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/mK，是目前為止導(dǎo)熱系數(shù)最高的碳材料，高于單壁碳納米管（3500W/mK）和多壁碳納米管（3000W/mK）。當(dāng)它作為載體時，導(dǎo)熱系數(shù)也可達(dá)600W/mK。 [7] 此外，石墨烯的彈道熱導(dǎo)率可以使單位圓周和長度的碳納米管的彈道熱導(dǎo)率的下限下移。
光學(xué)特性
石墨烯具有非常良好的光學(xué)特性，在較寬波長范圍內(nèi)吸收率約為2.3%，看上去幾乎是透明的。在幾層石墨烯厚度范圍內(nèi)，厚度每增加一層，吸收率增加2.3%。大面積的石墨烯薄膜同樣具有優(yōu)異的光學(xué)特性，且其光學(xué)特性隨石墨烯厚度的改變而發(fā)生變化。這是單層石墨烯所具有的不尋常低能電子結(jié)構(gòu)。室溫下對雙柵極雙層石墨烯場效應(yīng)晶體管施加電壓，石墨烯的帶隙可在0~0.25eV間調(diào)整。施加磁場，石墨烯納米帶的光學(xué)響應(yīng)可調(diào)諧至太赫茲范圍。
當(dāng)入射光的強度超過某一臨界值時，石墨烯對其的吸收會達(dá)到飽和。這些特性可以使得石墨烯可以用來做被動鎖模激光器。這種獨特的吸收可能成為飽和時輸入光強超過一個閾值，這稱為飽和影響，石墨烯可飽和容易下可見強有力的激勵近紅外地區(qū)，由于環(huán)球光學(xué)吸收和零帶隙。由于這種特殊性質(zhì)，石墨烯具有廣泛應(yīng)用在超快光子學(xué)。石墨烯/氧化石墨烯層的光學(xué)響應(yīng)可以調(diào)諧電。 更密集的激光照明下，石墨烯可能擁有一個非線性相移的光學(xué)非線性克爾效應(yīng)。
溶解性：在非極性溶劑中表現(xiàn)出良好的溶解性 ，具有超疏水性和超親油性。
熔點：科學(xué)家在2015年的研究中表示約4125K ，有其他研究表明熔點可能在5000K左右。
其他性質(zhì)：可以吸附和脫附各種原子和分子。
二、化學(xué)性質(zhì)
石墨烯的化學(xué)性質(zhì)與石墨類似，石墨烯可以吸附并脫附各種原子和分子。當(dāng)這些原子或分子作為給體或受體時可以改變石墨烯載流子的濃度，而石墨烯本身卻可以保持很好的導(dǎo)電性。但當(dāng)吸附其他物質(zhì)時，如H+和OH-時，會產(chǎn)生一些衍生物，使石墨烯的導(dǎo)電性變差，但并沒有產(chǎn)生新的化合物。因此，可以利用石墨來推測石墨烯的性質(zhì)。例如石墨烷的生成就是在二維石墨烯的基礎(chǔ)上，每個碳原子多加上一個氫原子，從而使石墨烯中sp2碳原子變成sp3雜化。 [7] 可以在實驗室中通過化學(xué)改性的石墨制備的石墨烯的可溶性片段。
化合物
氧化石墨烯（grapheneoxide，GO）：一種通過氧化石墨得到的層狀材料。體相石墨經(jīng)發(fā)煙濃酸溶液處理后，石墨烯層被氧化成親水的石墨烯氧化物，石墨層間距由氧化前的3.35?增加到7~10?，經(jīng)加熱或在水中超聲剝離過程很容易形成分離的石墨烯氧化物片層結(jié)構(gòu)。XPS、紅外光譜（IR）、固體核磁共振譜（NMR）等表征結(jié)果顯示石墨烯氧化物含有大量的含氧官能團(tuán)，包括羥基、環(huán)氧官能團(tuán)、羰基、羧基等。羥基和環(huán)氧官能團(tuán)主要位于石墨的基面上，而羰基和羧基則處在石墨烯的邊緣處。
石墨烷（graphane）：可通過石墨烯與氫氣反應(yīng)得到，是一種飽和的碳?xì)浠衔?，具有分子式（CH）n，其中所有的碳是sp3雜化并形成六角網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氫原子以交替形式從石墨烯平面的兩端與碳成鍵，石墨烷表現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì)，具有直接帶隙。
氮摻雜石墨烯或氮化碳（carbonnitride）：在石墨烯晶格中引入氮原子后變成氮摻雜的石墨烯，生成的氮摻雜石墨烯表現(xiàn)出較純石墨烯更多優(yōu)異的性能，呈無序、透明、褶皺的薄紗狀，部分薄片層疊在一起，形成多層結(jié)構(gòu)，顯示出較高的比電容和良好的循環(huán)壽命。
生物相容性：羧基離子的植入可使石墨烯材料表面具有活性功能團(tuán)，從而大幅度提高材料的細(xì)胞和生物反應(yīng)活性。石墨烯呈薄紗狀與碳納米管的管狀相比，更適合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的邊緣與碳納米管相比，更長，更易于被摻雜以及化學(xué)改性，更易于接受功能團(tuán)。
氧化性：可與活潑金屬反應(yīng)。
還原性：可在空氣中或是被氧化性酸氧化，通過該方法可以將石墨烯裁成小碎片。 石墨烯氧化物是通過石墨氧化得到的層狀材料，經(jīng)加熱或在水中超聲剝離過程很容易形成分離的石墨烯氧化物片層結(jié)構(gòu)。
加成反應(yīng)：利用石墨烯上的雙鍵，可以通過加成反應(yīng)，加入需要的基團(tuán)。
穩(wěn)定性：石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)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(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小。 同時，石墨烯有芳香性，具有芳烴的性質(zhì)。
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