石墨烯(石墨烯取暖器*** )

作者：宮非

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来源：知乎

石墨烯层包含了面内 σ 键和面外 π 键。σ 键使石墨烯具有电子传导性并使石墨烯层之间产生了较弱的相互作用。共价 σ 键形成了六边形结构和 c 轴面的刚性主链，即 π 键控制着不同的石墨烯层之间的关联。它展示了一个面上的 3 个 σ 键／原子以及垂直于 σ 键／原子面的 π 轨道。

废话不多说，我们来看看石墨烯这些的物理性质怎么得到的？

接着，我们来深入探讨其中的奥妙。

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导电性

Ref.：Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes. (Nature 457, 706-710 (5 February 2009) .| doi:10.1038/nature07719)

石墨烯新颖的电子性质在于它可以维持巨大的电流。石墨烯中的 π 键使石墨烯具有电子传导性，并使石墨烯层之间产生较弱的相互作用。石墨烯中的载流子可用狄拉克方程而不用薛定谔方程来描述。由于蜂窝晶体中有两个等价的碳亚晶格，锥状的价带和导带相交于费米能级处布里渊区的 K 和 K0 点。这些无质量的狄拉克费米子显示出许多优越的特性。石墨烯是零带隙的二维半导体材料，它清晰地显示出双极电场效应、准粒子，和较长的平均自由程（微米量级的）。

此外，二维中狄拉克能量色散意味着石墨烯是一种零带隙的半导体材料，当接近费米能级处时其态密度成线性消失。石墨烯传导时其电子或空穴浓度高达 10E13cm-2。它显示出杰出的载流子迁移率约为 200,000cm2╱V.s。如此高的迁移率是因为完美的石墨烯蜂窝状晶格使电子能够十分顺利地通过，能够控制其带隙。就像半导体一样，人们可以控制和调节电子运动以产生预期的结果。换言之，除非能够提供能量来加强电子穿越间隙，即在价带和导带之间的间隙，否则石墨烯不可用以传导。

在此，列举几种不同工艺下石墨烯的导电性：

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导热性

Ref.：Superior Thermal Conductivity of Single-Layer Graphene. (Nano Lett., 2008, 8 (3), pp 902–907. |doi: 10.1021/nl0731872)

石墨烯的近室温导热系数在（4.84±0.44）×10E3 和（5.30±0.48）×10E3 W╱m.K之间（Balandinet al., 2008）。化学气相沉积制备的石墨烯显示出较低值（≈2500 W╱mK）（Cai et al., 2010）。

它被认为具有一定的结构类型，即 AA 或 AB 型；石墨烯的层数也对其热导率产生影响。由于石墨烯的高热导性（由于其强烈的 CAC 共价键和声子散射，无缺陷的纯石墨烯单层在室温下导热性可高达 5000 W╱mK(Ballandinet al., 2008），它被认为是电子设备中重要的组成部分。

在室温下，单层纯石墨烯的热导率比先前研究的其他碳的同素异形体的热导率高很多，例如，碳纳米管（多壁碳纳米管为 3000 W╱mK (Kim et al., 2001)，单壁碳纳米管为 3500 W╱mK (Pop et al., 2005)。导热率会受一些因素的影响，如缺陷，边缘散射（Nikaet al.,2009）和同位素掺杂（Jiang et al., 2010）。

一般而言，所有这些因素都会对导电率产生不利影响，这是因为掺杂导致缺陷和声子模式局部化从而产生了声子散射。

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比表面积

Ref.：Graphene-Based Ultracapacitors. (Nano Lett., 2008, 8 (10), pp 3498–3502.|doi: 10.1021/nl802558y)

石墨烯成六角苯环结构，边长 0.142 纳米，面积为 0.052nm2。所以面密度为 0.77 mg╱m2时，取得比表面积为 2630 m2╱g。

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弹性模量

Ref.：Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. (Science. 2008 Jul 18;321(5887):385-8. | doi: 10.1126/science.1157996.)

依据 Voigt 石墨本構方程式：

式中，下标 1 和 2为石墨烯面內的两个主方向，而 3 为其法向。实验测量得到值为 C11=1060Gpa、C12=36.5Gpa、C44=4Gpa、C12=180Gpa及 C13=15Gpa。由此矩陣中還可以看出，由於碳原子之間 SP2 键极强，石墨面内的弹性模量高达 1 Tpa。

由于高各向异性程度的原因是石墨烯之间的弱相互作用，这通常被认为是范德华力相互作用或π 电子间的耦合作用，实验测出石墨烯层间的剪切模量为 4Gpa，剪切强度为 0.08 Mpa，明显小于碳原子间的机械性能。

下表是石墨烯的机械特性

石墨烯被氧化后的物理性质有显著的改变。可以看出首先是环氧基中的 C-O-C 键角发生弯曲，而氧原子向石墨面内方向运动，由此得到氧化石墨烯其杨氏模量为 610Gpa，较石墨烯的 1060Gpa 还低。

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透光性

Ref.：Fine structure constant defines visual transparency of graphene. (Science. 2008 Jun 6;320(5881):1308. |doi: 10.1126/science.1156965.)

石墨烯是透明的，单层石墨烯吸收 2.3%πα ≈ 2.3% 的白光（97.7% 透光率），α 为精细结构常数，其值约为~1/37。堆叠顺序和方向影响着石墨烯的光学特性；因此，双层石墨烯展现出新颖有趣的光学特性。

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化学稳定性及反应性

石墨烯的化学稳定性高是由于蜂窝网状结构中强大的面内 sp2 杂化键的存在。石墨烯的化学惰性可应用于防止金属和金属合金的氧化。陈等（Chen et al., 2011）用化学气相沉积技术将石墨烯镀在铜和铜╱镍上，首次演示了石墨烯的抗氧化性能。石墨烯具有的化学稳定性和惰性使它有望提高潜在的光电子器件的耐久性（Blake etal., 2008）。

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阻隔性

石墨烯片具有高度灵活性。它们可以像气球一样被拉伸，甚至在几种大气的立压差下也无碍。即使是像氦这样的小原子也无法渗透它。有些文献会使用氧化石墨烯来阻隔膜，我现在才发现是因为石墨烯分散性较差而不得不做的取舍，毕竟石墨烯成膜性高，再者，氧化石墨烯是亲水性会吸水，而石墨烯为疏水性，阻水性更佳。