【摘要】 碳元素存在于几种同素异形体中，包括晶体、三维金刚石、石墨和朗斯代尔石

石墨及其插层化合物的研究已有150多年的历史；然而，对石墨烯的认真科学研究是最近才开始的，当时Novoselov等人[1]报道了使用石墨的机械剥离从石墨中容易地合成单层/少层石墨烯。自从这份关于石墨烯晶格单层不寻常电子性质的报告以来，在过去十年中，对石墨烯的研究兴趣呈指数级增长（图1）。

 

图1 关于碳基材料的科学出版物历史

 

碳元素存在于几种同素异形体中，包括晶体、三维金刚石、石墨和朗斯代尔石；二维石墨烯、一维纳米管、零维富勒烯（图2）和其他几种非晶体形式。这些广泛的碳同素异形体在物理、化学和形态行为方面表现出极端性；显示了碳原子结构、晶体化学和键合差异的多样性。例如，在金刚石中，每个C原子都是sp3杂化的，C–C–C键角为109.5°，C–C键长为1.54Å；并形成基本四面体单元和立方晶胞。

 

一方面，钻石被认为是已知的最坚硬的物质。另一方面，石墨是已知的最柔软的材料之一；并且起到有效的固体润滑剂的作用。在石墨、石墨烯、富勒烯、碳纳米管和其他几种类型的无定形和玻璃质碳中；碳原子处于sp2杂化产生的平面三配位状态。在这种三角配位状态下，典型的C–C距离约为1.42Å，C–C–C角约为120°。

 

石墨烯（GR）是一个平坦的单层，sp2杂化的碳原子紧密地堆积在二维蜂窝晶格结构中；它是目前正在研究的最令人兴奋的二维材料之一。石墨烯也可以被认为是所有其他尺寸的石墨材料的基本组成部分。它可以堆叠成3D石墨，卷成1D碳纳米管，并包裹成1D富勒烯。sp2杂交形成强定向键，并确定石墨烯的蜂窝状晶格结构；pz（π）轨道形成一个离域π-系统，调节石墨的导电性能/电荷迁移率。

 

图2 常见的天然存在的碳的sp2和sp3同素异形体以不同的晶体形式存在

 

石墨烯是在自然界中分离的紧密堆积二维（2D）晶体材料的第一个例子；目前，它正受到不同寻常的研究关注。Katsnelson等人[2]提出石墨烯中碳原子的六边形排列可以还原为两个相互渗透的碳原子子晶格，它们之间具有反转对称性（图3）。

 

图3 石墨烯中碳原子六边形排列的示意图

 

石墨烯是一种二维零带隙半导体，具有独特的能量图，如图4所示。这种独特的拓扑结构在石墨烯中提供了一种不同寻常的能量色散关系[8]。石墨烯独特的电子结构的特征是在动量空间中的一个点上相遇的尖价带和导带（狄拉克交叉能）。量子力学跳跃石墨烯中的子晶格之间导致两个能带的形成，它们在Brillion区边缘附近的相交产生了Dirac点K和K'附近的锥形能谱，如图4所示。

 

现在已经证实，石墨烯中的电荷载流子可以用类狄拉克方程来描述，而不是通常的薛定谔方程。Novoselov等人[1]证明了GR的强双极电场效应，电子和空穴的浓度高达1013/cm2，室温迁移率约为10000 cm2/V·s。

 

图4 （a）石墨烯中费米能级附近的能带；（b）K点和K'点附近的锥形能带；（c）费米能级附近具有费米能量EF的态密度

 

[1] Novoselov, K.S.; Geim, A.K.; Morozov, S.V. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science 2004, 306, 666–669.

[2] Katsnelson, M.I. Graphene: Carbon in two dimensions. Mater. Today 2007, 10, 20–27.

 

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