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石墨烯
基本資料
類別天然元素礦物
化學式碳 - C
施特龍茨分類01.CB.05a
晶體空間群復六方雙錐晶族
赫爾曼–莫甘記號：（6/m 2/m 2/m）
空間群：P 63/mmc
晶胞a = 2.461 Å，c = 6.708 Å；Z = 4
性質
分子量12.01
顏色灰至黑色
晶體慣態板狀、六方薄板狀、粒狀
晶系六方晶系、三方晶系
解理{0001} 完全解理
斷口參差狀
韌性/脆性具彎性
莫氏硬度1 - 2
光澤金屬或土狀光澤
條痕光亮的黑色
透明性不透明
密度2.09–2.23g/cm³
折射率不透明體
多色性無
熔點3,652 - 3,697
其他特徵耐強酸鹼、耐火、良好導電性與導熱性

石墨烯是一種由碳原子組成且僅為單個碳原子厚度的平面薄膜；在這種二維材料中，碳原子以sp2雜化軌道組成六邊型類蜂巢晶格結構[1][2][3]。作為碳的一種同素異形體，石墨烯同時也是其他同素異形體的主要組成結構，例如石墨、碳納米管和富勒烯。石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。 石墨烯是目前世界上最輕、最薄和最堅硬的材料，不但堅硬無比而且可摺疊彎曲，同時還具有極為優異的導熱和導電性能並且幾乎完全透明[4]。另外，石墨烯展現出強的非線性抗磁性[5]，能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應。 石墨烯可由機械剝離及碳化矽表面外延生長等物理或化學方法製備而得[6]。目前，研究者對石墨烯的開發利用主要集中在半導體、電子、能源等領域，其也被譽為未來的最佳儲能材料。


簡介

石墨烯的命名來自英文的graphite（石墨）+-ene（烯類結尾），是漢斯-彼得·貝姆於1962年描述單層碳薄片時首次採用[7]。石墨烯的結構非常穩定，每個碳原子由四個鍵相連，分別是與三個相鄰碳原子連接的σ鍵和指向平面外的π鍵，碳原子間的距離僅為1.42Å。石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力於石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由於原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯內部電子受到的干擾也非常小。 石墨烯具有優異的導熱導電性能：導熱係數高達5300 W/m·K，高於碳納米管和金剛石；常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或矽晶體（monocrystalline silicon）高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子的移動速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或電晶體。同時由於石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來製造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

結構

石墨烯是一種具有二維結構性質的碳的結晶形同素異形體，其碳原子緊密排列於規整的蜂窩狀六方晶格結構中[8]。這種六方晶格可以被看作是兩個交錯的三角形結構，該理論成功用於採用緊密束縛近似方法計算單層石墨的能帶結構。 石墨烯的穩定性源於其緊密排列的碳原子以及由s,px,py軌道組合形成sp2雜化軌道構成的σ鍵。其餘的電子在pz軌道構成π鍵與共軛π鍵，此種共軛體系允許自由電子通過半充滿能帶從而實現石墨烯的多種顯著性電學特徵[9]。

 
Graphene SPM

片狀石墨烯的固體結構通常在石墨（200）晶面繞射中得到證實，對於某些單壁納米結構亦如此[10]。然而非層狀的（hk0）環形石墨烯已在太陽前顆粒石墨洋蔥結構核心中被發現[11]。掃描透無線電鏡顯示石墨烯薄片中存在缺陷[12]，表明是從熔體中進行二維結晶的作用。當石墨處於碳分子(如碳氫化合物)作用下時，可自主修復其層狀結構中的孔洞；當採用純碳原子轟擊時，原子可完美排列成六邊形從而完全填滿孔洞[13][14]。 可採用透無線電子顯微鏡研究懸浮於金屬網格條狀物間的單層石墨烯獨立原子結構[15]。電子繞射圖案顯示了預期的石墨烯蜂窩狀晶格結構，懸浮的石墨烯片顯示出幅度約為1納米的高低起伏，由於二維晶體的不穩定性，這些波動可能是材料本身的固有屬性[16][17][18]或是由石墨烯TEM圖像中無法避免的污垢造成的。通過掃描軌道顯微鏡（STEM）可觀察到SiO2基體上單層石墨烯結構的實空間原子解像度圖像。為了獲得此原子解像度圖像必須去除可能會在TEM圖像中觀察到，或導致波紋出現的「吸附物」光致抗蝕劑殘留物。而SiO2表面的波紋是由於石墨烯與下層SiO2構型產生的結果，並非內在屬性[19]。

穩定性

從頭計算法表明如果石墨烯片的尺寸小於20nm則在熱力學上是不穩定的（需擁有至少6000個原子，石墨烯才能處於穩定狀態）並僅對原子數量大於24000的分子會形成最穩定的富勒烯結構[20]。

類似物

類似物（可成為人造石墨）是與石墨烯表現出相同性質的的二維系統，此系統在物理上更便於觀察和操作。在這些系統中，電子並非總是被選擇的粒子，它們可以是光子[21]，微波光子[22]，等離子體[23]，微腔極化子甚至是原子[24]。同時，由這些粒子所形成的蜂窩狀結構可以具有與石墨烯中碳原子不同的性質，分別是：光子晶體，金屬棒陣列，金屬納米顆粒，耦合微腔的晶格或光學晶格。

發現歷史

在本質上，石墨烯是分離出來的單原子層平面石墨。按照這說法，自從20世紀初，X射線晶體學的創立以來，科學家就已經開始接觸到石墨烯了。1918年，V. Kohlschütter和P. Haenni詳細地描述了石墨氧化物紙的性質（graphite oxide paper）[25]。1948年，G. Ruess和F. Vogt發表了最早用透無線電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯（層數在3層至10層之間的石墨烯）圖像[26]。

關於石墨烯的製造與發現，最初，科學家試着使用化學剝離法（chemical exfoliation method）來製造石墨烯。他們將大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨層間化合物。在其三維結構中，每一層石墨可以被視為單層石墨烯。經過化學反應處理，除去嵌入的大原子或大分子後，會得到一堆石墨烯爛泥。由於難以分析與控制這堆爛泥的物理性質，科學家並沒有繼續這方面研究。還有一些科學家採用化學氣相沉積法，將石墨烯薄膜磊晶成長（epitaxial growth）於各種各樣基板（substrate），但初期品質並不優良[27]。於2004年，曼徹斯特大學和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子工藝研究所（Institute for Microelectronics Technology）的兩組物理團隊共同合作，首先分離出單獨石墨烯平面[11]。海姆和團隊成員偶然地發現了一種簡單易行的製備石墨烯的新方法。他們將石墨片放置在塑料膠帶中， 摺疊膠帶粘住石墨薄片的兩側，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重複這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構成——他們製得了石墨烯。當然，僅僅是製備是不夠的。通常，石墨烯會隱藏於一大堆石墨殘渣，很難得會如理想一般地緊貼在基板上；所以要找到實驗數量的石墨烯，猶如東海撈鍼。甚至在範圍小到1 cm2的區域內，使用那時代的尖端科技，都無法找到。海姆的秘訣是，如果將石墨烯放置在鍍有在一定厚度的氧化矽的矽片上。利用光波的干涉效應，就可以有效地使用光學顯微鏡找到這些石墨烯。這是一個非常精準的實驗；例如，假若氧化矽的厚度相差超過5%，不是正確數值300nm，而是315nm，就無法觀測到單層石墨烯。

 
Nobelpriset i fysik 2010

製備方法

重要性質

參看

參考文獻

  1. ^ "graphene definition, meaning – what is graphene in the British English Dictionary & Thesaurus – Cambridge Dictionaries Online"
  2. ^ "Definition of graphene noun from the Oxford Advanced Learner's Dictionary"
  3. ^ Lee, C.; 等. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science. 2008, 321 (5887): 385. PMID 18635798. doi:10.1126/sci<ence.1157996
  4. ^ "Graphene properties". www.graphene-battery.net. 29 May 2014. Retrieved 29 May 2014.
  5. ^ Li, Zhilin; Chen, Lianlian; Meng, Sheng; Guo, Liwei; Huang, Jiao; Liu, Yu; Wang, Wenjun; Chen, Xiaolong (2015). "Field and temperature dependence of intrinsic diamagnetism in graphene: Theory and experiment". Phys. Rev. B. 91 (9): 094429. Bibcode:2015PhRvB..91i4429L. doi:10.1103/PhysRevB.91.094429.
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  9. ^ Cooper, Daniel R.; D』Anjou, Benjamin; Ghattamaneni, Nageswara; Harack, Benjamin; Hilke, Michael; Horth, Alexandre; Majlis, Norberto; Massicotte, Mathieu; Vandsburger, Leron; Whiteway, Eric; Yu, Victor (3 November 2011). "Experimental Review of Graphene" (PDF). ISRN Condensed Matter Physics. International Scholarly Research Network. 2012: 1–56. doi:10.5402/2012/501686. Retrieved 30 August 2016.
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  25. ^ 在本質上，石墨烯是分離出來的單原子層平面石墨。按照這說法，自從20世紀初，X射線晶體學的創立以來，科學家就已經開始接觸到石墨烯了。1918年，V. Kohlschütter和P. Haenni詳細地描述了石墨氧化物紙的性質（graphite oxide paper）
  26. ^ 1948年，G. Ruess和F. Vogt發表了最早用透無線電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯（層數在3層至10層之間的石墨烯）圖像[10]。
  27. ^ 關於石墨烯的製造與發現，最初，科學家試着使用化學剝離法（chemical exfoliation method）來製造石墨烯。他們將大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨層間化合物。在其三維結構中，每一層石墨可以被視為單層石墨烯。經過化學反應處理，除去嵌入的大原子或大分子後，會得到一堆石墨烯爛泥。由於難以分析與控制這堆爛泥的物理性質，科學家並沒有繼續這方面研究。還有一些科學家採用化學氣相沉積法，將石墨烯薄膜磊晶成長（epitaxial growth）於各種各樣基板（substrate），但初期品質並不優良
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