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石墨烯的发现、基本结构和性质

发布时间:2020-04-11 11:02:21 点击次数:

      石墨烯是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料。根据严格意义上的二维原子晶体理论,热力学上严格和独立的二维原子晶体是不稳定的,但是准二维(quaitwo dimension)原子晶体材料,即具有褶皱的或附着在其他基底上的二维材料是可以存在的。2004年Geim等获得的石墨烯就属于上述准二维原子晶体材料。  石墨烯(graphene)这个术语早在2004年之前就已被使用。1986年,Boehm等首先给出了“graphene”的定义:“The term graphene layer should be used for such a single carbon layer”。

      1997年,IUPAC明确定义“graphene”:“The term graphene should be used only when the reactions,structural relations or other properties of individual layers are discussed”。

      目前,中文相应的定义还有待明确和标准化。  20世纪60—70年代,有关石墨烯的研究主要分3个方面:①理论研究;②关于石墨插层(graphite intercalation compound)和石墨氧化物(graphite oxide)在化学和材料方面的研究;③利用显微镜电镜等对碳薄膜材料的研究。80—90年代由于富勒烯和碳纳米管的发现,人们开始对各种潜在的碳同素异形体进行大规模的探索。这期间,人们获得了数纳米厚的(几十层)的石墨片(nanoflake)。

      严格意义上的石墨烯,即单原子厚度的石墨烯的发现应归功于Geim团队在2004年利用极其简单的taping方法获得的成果。他们不仅获得了近乎完美的石墨烯,更重要的是他们观察到了石墨烯这一系列前所未有的电学性质。石墨烯优良性质的发现掀起了科学家继富勒烯和碳纳米管之后对碳同素异形体材料探索研究的第三次浪潮。 

      石墨烯的基本结构和性质  石墨烯的原子排列与石墨的单原子层相同,是碳原子sp2杂化轨道按蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想象为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨)+ene(烃类词尾),因此,石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。 

      石墨烯是由sp2碳原子以蜂巢晶格构成的二维单原子层结构。每个碳原子周围有3个碳原子成键,C—C键长1.42Å,键角120°;每个碳原子以3个sp2杂化轨道和邻近的3个碳原子形成3个σ键,剩下的1个p轨道和邻近的其他碳原子一起形成共轭体系,每个碳原子贡献1个P电子。因此,石墨烯的C—C骨架由σ键参与构成,在这个骨架的上下分布有成对的电子云,这种成键形式和苯环的成键模式完全一样,因此石墨烯也可看成是一个巨大的稠环芳烃,这一认识对理解石墨烯的特殊性质和材料性能十分重要。

      值得注意的是,虽然石墨烯是其他碳的同素异形体的基本构成单元,但和富勒烯及碳纳米管的成键方式仍有重要不同。在石墨烯以及石墨中,每个C—C键角都小于120°,C—C键存在一定的张力,因此富勒烯和碳纳米管中碳原子的化学活性要大于石墨烯中的碳原子。  石墨烯的特殊结构决定了其独特的性质。从分子层面上考虑,石墨烯中碳原子的许多性质和苯环上的碳原子有类似之处,然而由于石墨烯由无数个六元环构成,并且其边缘氢原子对分子贡献远小于苯环,因此其许多性质又有所不同;从宏观层面看,石墨烯就是单层石墨,它的边缘性质和石墨有一定程度上的类似。因此,石墨烯同时具有部分稠环芳烃和石墨的化学性质。

      石墨烯碳骨架周围丰富的电子云导致其很容易进行π-π堆积,形成多层的石墨结构,石墨烯众多优良的物理性质是从这一特殊结构获得的。