神奇材料石墨烯

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42?。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。

石墨烯特殊的结构赋予了它许多优异的特性，例如：

超高强度：石墨烯是人类目前测量过的强度最高的物质。它的强度比钢铁还要高200倍，具有1 TPA（150,000,000 psi）时的拉伸模量（刚度）。

超高导热系数：石墨烯的导热性能优于碳纳米管和金刚石。普通碳纳米管的导热系数可达3500 W/mK，而单层石墨烯的导热系数可达5300 W/mK。优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超大规模纳米集成电路的散热材料。

超高电子迁移：在室温状况，石墨烯具有惊人的高电子迁移率。从测量得到的电导数据的对称性显示，空穴和电子的迁移率应该相等。在室温和载子密度为1012 cm?2时，石墨烯的声子散射体造成的散射，将迁移率上限约束为200,000 cm2V?-1s?1。与这数值对应的电阻率为10?6 Ω?cm，稍小于银的电阻率1.59 ×10?6 Ω?cm。在室温，电阻率最低的物质是银。所以，石墨烯是很优良的导体。

独特的光学性质：石墨烯特殊的原子结构赋予了它无间带线性电子结构，这种电子结构使得它具有特殊的光学吸收特性。例如在可见光波段，由于石墨烯内部无质量狄拉克费米子的全域光波段电导率，石墨烯具有与费米能级无关的宽带吸收特性（吸收率大约为2.3%）；而在太赫兹（THz）波段，由于其光波段电导率是由电子的带内迁移决定的，石墨烯的吸收光谱强烈依赖于费米能级，这种特性在远红外光波动态调控方面具有很大的应用前景。

石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮，其诸多独特的性质存在着大量的潜在应用价值，例如：

石墨烯晶体管：2005年，Geim研究组与Kim研究组发现，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率（约10 am /V?s），并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性（300 K下可达0.3 m），这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。在现代技术下，石墨烯纳米线可以证明一般能够取代硅作为半导体。

透明导电电极：石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等，都需要良好的透明电导电极材料。特别是，石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良。由于氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。

超级电容器：由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例，石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快。随着研究的不断深入，技术难题的接连攻克，应用范围也在不断拓宽，相信石墨烯器件时代已为期不远。