1.石墨烯(Graphene)的結(jié)構(gòu)

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢狀晶格的平面薄膜，是一種只有一個(gè)原子層厚度的二維材料。如圖1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定義每個(gè)原胞內(nèi)有兩個(gè)原子，分別位于A和B的晶格上。C原子外層3個(gè)電子通過(guò)sp2雜化形成強(qiáng)σ鍵(藍(lán))，相鄰兩個(gè)鍵之間的夾角120°，第4個(gè)電子為公共，形成弱π鍵(紫)。石墨烯的碳-碳鍵長(zhǎng)約為0.142nm，每個(gè)晶格內(nèi)有三個(gè)σ鍵，所有碳原子的p軌道均與sp2雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個(gè)離域π鍵，其貫穿整個(gè)石墨烯。

如圖1.2所示，石墨烯是富勒烯(0維)、碳納米管(1維)、石墨(3維)的基本組成單元，可以被視為無(wú)限大的芳香族分子。形象來(lái)說(shuō)，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢狀的晶格結(jié)構(gòu)，看上去就像由六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。每個(gè)碳原子通過(guò)sp2雜化與周圍碳原子構(gòu)成正六邊形，每一個(gè)六邊形單元實(shí)際上類似一個(gè)苯環(huán)，每一個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)未成鍵的電子，單層石墨烯的厚度僅為0.335nm，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬(wàn)分之一。

石墨烯按照層數(shù)劃分，大致可分為單層、雙層和少數(shù)層石墨烯。前兩類具有相似的電子譜，均為零帶隙結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體(價(jià)帶和導(dǎo)帶相較于一點(diǎn)的半金屬)，具有空穴和電子兩種形式的載流子。雙層石墨烯又可分為對(duì)稱雙層和不對(duì)稱雙層石墨烯，前者的價(jià)帶和導(dǎo)帶微接觸，并沒(méi)有改變其零帶隙結(jié)構(gòu);而對(duì)于后者，其兩片石墨烯之間會(huì)產(chǎn)生明顯的帶隙，但是通過(guò)設(shè)計(jì)雙柵結(jié)構(gòu)，能使其晶體管呈示出明顯的關(guān)態(tài)。

單層石墨烯(Graphene)：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。

雙層石墨烯(Bilayer or double-layer

graphene)：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等)堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

少層石墨烯(Few-layer or multi-layer

graphene)：指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛，ABA堆垛等)堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

石墨烯(Graphenes)：是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱。

由于二維晶體在熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性，所以不管是以自由狀態(tài)存在或是沉積在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微觀尺度的褶皺，蒙特卡洛模擬和透射電子顯微鏡都證明了這一點(diǎn)。這種微觀褶皺在橫向上的尺度在

8~10nm 范圍內(nèi)，縱向尺度大概為

0.7~1.0nm。這種三維的變化可引起靜電的產(chǎn)生，所以使石墨單層容易聚集。同時(shí)，褶皺大小不同，石墨烯所表現(xiàn)出來(lái)的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)也不同。

除了表面褶皺之外，在實(shí)際中石墨烯也不是完美存在的，而是會(huì)有各種形式的缺陷，包括形貌上的缺陷(如五元環(huán)，七元環(huán)等)、空洞、邊緣、裂紋、雜原子等。這些缺陷會(huì)影響石墨烯的本征性能，如電學(xué)性能、力學(xué)性能等。但是通過(guò)一些人為的方法，如高能射線照射，化學(xué)處理等引入缺陷，卻能有意的改變石墨烯的本征性能，從而制備出不同性能要求的石墨烯器件。