石墨稀理化性質

石墨稀理化性質

一、物理性質
內部結構

石墨（mò）烯內部碳（tàn）原子的（de）排列（liè）方式與石墨單原子層一樣以sp2雜化軌道

石墨（mò）烯結（jié）構圖
石墨烯結構圖
成鍵，並有如下的特點（diǎn）：碳原子有4個價電子，其中3個（gè）電子生成sp2鍵，即每個碳原子（zǐ）都貢獻一個位於pz軌道上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌道與平麵成垂直方（fāng）向可形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態。研究證實，石墨烯中碳（tàn）原子的配位數為3，每兩（liǎng）個相鄰碳原子間的鍵長為1.42×10-10米，鍵與鍵之間的夾角為120°。除了σ鍵與其他碳原子鏈接成六角環的蜂窩式層狀結（jié）構外，每個碳原子的垂直於層平麵的pz軌道可以形成貫穿全層的多原子的（de）大π鍵（與苯環類似），因（yīn）而具有優良的導電和光（guāng）學性能。

力學特性
石墨烯是已知強度（dù）最（zuì）高的材（cái）料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模（mó）量達1.0TPa，固有的（de）拉伸（shēn）強度為130GPa。而利用氫（qīng）等離（lí）子改性的還原石墨烯也具有非常（cháng）好的強度，平均模量可大0.25TPa。 由石墨烯（xī）薄片組成的石墨紙擁有很（hěn）多的孔，因而石墨（mò）紙顯得很脆（cuì），然而，經氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨紙則會異常堅固強韌。

電子（zǐ）效應
石墨烯在室溫下的載流子遷移率約為15000cm2/（V·s），這一數值超過
石墨烯構成富勒烯、碳納米管和石墨示（shì）意圖
石墨烯構成富勒烯、碳納米管和石墨示意圖
了矽材料的10倍，是目前已知載流子遷移率最高的物質銻化銦（InSb）的（de）兩倍以上。在某些特定條件下如低溫下，石（shí）墨烯的載流子遷移（yí）率甚至可高達250000cm2/（V·s）。與很多（duō）材料不（bú）一（yī）樣（yàng），石墨烯（xī）的電子遷移（yí）率受溫度變化的影響（xiǎng）較小，50~500K之間的任何溫度下，單層石墨烯的電子遷移率都在15000cm2/（V·s）左右。
另外，石墨烯中電子載（zǎi）體和空穴載流子（zǐ）的半整數量子霍爾效應可（kě）以通過電場作用改變化學勢而被觀察到，而科學家在室溫條件下（xià）就觀察到了（le）石墨烯的這種量子霍爾效應（yīng）。 石墨烯中的載流子遵循一種特（tè）殊的量子隧道效應（yīng），在碰到雜質時不會產生背散射，這是石墨烯局（jú）域超強導電性以及很高的載流子遷移率的原（yuán）因。石墨烯中的電（diàn）子和（hé）光子均沒有靜（jìng）止質量，他們的速度是和動能沒有關係的（de）常（cháng）數。 
石（shí）墨（mò）烯是一種零（líng）距離半導體，因為它的傳導和價帶在狄拉克點相遇。在狄拉克點的六個位置動量空間的邊緣布裏淵區分為兩組等效的三份。相比之下，傳統半導體的主要點通常為Γ，動量為（wéi）零（líng）。 

熱性能
石墨烯具有非常好的熱（rè）傳（chuán）導性能。純（chún）的無缺（quē）陷的單層石墨烯的導熱係數高達5300W/mK，是目前為（wéi）止導熱係數最高的碳材料，高（gāo）於單壁碳納米管（3500W/mK）和多（duō）壁碳納米管（3000W/mK）。當（dāng）它作為載（zǎi）體時，導熱係（xì）數也可達600W/mK。 [7] 此外（wài），石墨烯的彈道熱導率（lǜ）可以（yǐ）使單位圓周和長度的碳納（nà）米管的彈道熱導率的下限（xiàn）下移。

光學特性
石（shí）墨烯具有非常良好的光（guāng）學特（tè）性，在較寬波長範圍內吸收率約為2.3%，看上去幾乎是透明的。在幾層石（shí）墨烯厚度範圍內（nèi），厚度每增加一層，吸收率增加2.3%。大麵積的石墨烯薄膜同樣（yàng）具有優異的光學特性，且其光學特性隨（suí）石墨烯厚度的改變而發生變化。這是單層石墨烯所具有的不尋常低能電子結構。室溫下對雙柵極雙層石墨烯（xī）場效應晶體管施加電壓，石墨烯的帶隙可（kě）在0~0.25eV間調整。施加磁場，石墨烯納米帶的光學響應可調諧至太赫茲範圍。 
當（dāng）入射光的強度（dù）超過某一臨（lín）界值時，石墨（mò）烯對其的吸收會（huì）達到飽（bǎo）和。這些特性可以使得（dé）石墨烯可以用來做被動鎖模激光器。這種獨特的吸收可能成為飽和時輸入光強超過一個閾值，這稱為（wéi）飽和影響，石墨烯可飽和容易下（xià）可見強有力的激勵（lì）近紅外地區，由於環球光學吸收和零帶隙。由於這種特殊性質，石墨烯具有廣泛（fàn）應用在超快光子學。石（shí）墨烯/氧化（huà）石（shí）墨烯層的光學響應可以調諧電。  更密集的激光（guāng）照明下，石墨烯可能擁有一個非線性（xìng）相移的光學非線性克爾效應（yīng）。 
溶解性：在非極性溶（róng）劑中表現出良好的溶解性  ，具有（yǒu）超疏水性和超親油性。
熔點：科學家在2015年的研究（jiū）中表示約4125K  ，有其他研究表明熔點可能在5000K左右。 
其（qí）他（tā）性質：可以吸附和脫附各種原子（zǐ）和分子。

二、化（huà）學性質

石墨烯的化學性質與石墨（mò）類似，石墨烯可以吸附並脫附各種原子和分子。當這些原（yuán）子或（huò）分子作為給（gěi）體或受體時可以改變（biàn）石墨烯（xī）載流子的濃度，而（ér）石墨烯本身卻可以保持（chí）很（hěn）好的導電性。但當（dāng）吸附其他物（wù）質時，如H+和OH-時，會產生一些衍生物，使石墨烯的導電（diàn）性變差，但並沒有產生新的（de）化合物。因（yīn）此，可以利用石（shí）墨來（lái）推測石墨烯的性質。例（lì）如石墨烷的生成就是在二維石（shí）墨烯的基礎（chǔ）上，每個碳原子多（duō）加上一個氫原子，從而使石墨烯中sp2碳原子變（biàn）成（chéng）sp3雜化。 [7] 可以在實驗室（shì）中通過化學改性的石墨製備的石墨烯的可溶性片段。
化合物
氧化石墨烯（grapheneoxide，GO）：一種（zhǒng）通過氧化石墨得到的層狀材料。體相石墨經發煙濃酸溶液處理後，石墨烯（xī）層被氧化成親水的（de）石墨烯氧化物，石墨層間距由氧（yǎng）化前的3.35Å增加到7~10Å，經加熱或在水中超聲剝離過程很容易形成分離的（de）石墨烯氧（yǎng）化物片層結構。XPS、紅外光譜（IR）、固體核磁共振譜（NMR）等表征結果（guǒ）顯示石墨烯（xī）氧化物含有大量的含（hán）氧官能團，包括羥基、環氧官能團、羰（tāng）基、羧基等。羥基和環氧官（guān）能團主要位於石墨的基麵上，而羰基和（hé）羧基則處在石墨烯的邊緣處。
石墨烷（graphane）：可（kě）通過石墨烯與氫氣反應得到，是一種飽和的碳氫化合物，具有分子（zǐ）式（CH）n，其中所有的碳是sp3雜化並形成六角（jiǎo）網絡結構，氫原子（zǐ）以交替形式從石墨烯平麵的（de）兩端與碳（tàn）成（chéng）鍵，石墨烷表現出半導（dǎo）體性質，具有（yǒu）直接帶隙。 
氮摻雜石墨烯或氮化碳（carbonnitride）：在石墨烯（xī）晶格中引入氮原子後變成（chéng）氮摻雜的石墨烯，生成的氮摻雜石墨烯表現（xiàn）出較（jiào）純石墨烯（xī）更多優異的性能，呈無序、透明、褶皺的（de）薄紗狀，部分薄（báo）片層疊在一起，形成（chéng）多層結構，顯示出較高的比電容和良好（hǎo）的循環壽（shòu）命。  
生物相容（róng）性：羧基離子的植入可使石墨烯材料表麵具有活（huó）性功能團，從而大幅度提高材料的細胞（bāo）和（hé）生物反應活性。石（shí）墨烯呈薄紗狀與碳納米管的管（guǎn）狀相比，更（gèng）適合於生物（wù）材料方麵的研究。並且石墨烯的邊緣（yuán）與碳納米管相比，更長，更易於（yú）被摻雜以及化學改性，更易於接受（shòu）功能（néng）團。 
氧化性：可與活潑金（jīn）屬反應。 
還原（yuán）性：可在空氣中或是被氧化性酸氧化，通過該方（fāng）法（fǎ）可以將（jiāng）石墨烯（xī）裁成小碎片。 石墨烯氧化物是通過石墨氧化得到的層狀材料，經加熱或（huò）在水中超聲剝離過程很（hěn）容易形成分（fèn）離的石墨烯氧化物片（piàn）層（céng）結構。 
加成（chéng）反（fǎn）應：利用石墨烯上的雙鍵，可以通過加成反應，加入需（xū）要的（de）基團。 
穩定性（xìng）：石墨烯的結（jié）構非常穩定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42。石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當（dāng）施加外力於石（shí）墨烯時，碳原子麵會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適（shì）應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使（shǐ）石墨烯具有優秀的導熱性。另外，石墨烯（xī）中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺（quē）陷或引入外（wài）來原子而發生（shēng）散射。由於原子間作用力十分強，在常溫（wēn）下，即使周圍碳原子發生擠撞，石（shí）墨烯內部電子受到的幹擾也非常小。 同時，石墨烯有芳香性，具有芳烴的性質。 

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