石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。 英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。

石墨烯的結(jié)構(gòu)

石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維（2D）周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，它可以翹曲成零維（0D）的富勒烯（fullerene），卷成一維（1D）的碳納米管（carbon nano-tube，CNT）或者堆垛成三維（3D）的石墨（graphite），因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，是最理想的二維納米材料。

理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，可以看做是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看做是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元。

石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42?。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時(shí)，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。

科學(xué)家首次拍到單個分子的清晰照片，同時(shí)可看見把分子結(jié)構(gòu)緊密連在一起的原子鍵。美國國際商用機(jī)器公司（IBM）設(shè)在瑞士蘇黎世的研究實(shí)驗(yàn)室用一種名為“非接觸式原子力顯微術(shù)”的技術(shù)探索一個分子的內(nèi)部情況，把分子和原子的研究推向最小。這項(xiàng)研究可能對石墨烯設(shè)備的研究具有重要意義。

石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)

當(dāng)絕對零度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶（完全被電子占據(jù)）。當(dāng)受光電或熱激發(fā)后價(jià)帶中的部分電子（石墨烯的電子運(yùn)動速度高達(dá)105m/s，是光速的1/300）越過禁帶進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價(jià)帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位，成為空穴。導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴合稱為電子-空穴對，則電子，空穴能自由移動成為自由載流子。它們在外電場作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動形成宏觀電流，分別成為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電

石墨烯的每一單位晶格有2個碳原子，導(dǎo)致其在每個布里淵區(qū)有兩個等價(jià)錐形相交點(diǎn)（和K′）點(diǎn)，再相交點(diǎn)附近其能量于波矢量成線性關(guān)系。

石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu)圖

E：能量，h：約化普朗克常數(shù)，UF：費(fèi)米速度，1*10^6m/s，Kx，Ky分別是波矢量再X-和Y-軸的分量。因此，使得石墨烯中的電子和空穴的有效質(zhì)量均為零，所有電子，空穴被稱為狄拉克費(fèi)米子。相交點(diǎn)為秋拉克點(diǎn)，在其附近能量為零，古石墨烯的帶隙（禁帶）為零。石墨烯獨(dú)特的載流子特性和無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子屬性使其能夠在室溫下觀測到霍爾效應(yīng)和異常的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面會出現(xiàn)電勢差）。表明了其獨(dú)特的載流子特性和優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)石墨烯的室溫載流子遷移率實(shí)測值達(dá)15000cm^2/·s（電子密度10^13cm^2）。

石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)

石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，電子在軌道中移動所受到的干擾非常小，具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性能。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致石墨烯獨(dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu)，第一布里淵區(qū)的六個頂點(diǎn)為費(fèi)米點(diǎn)（也稱為狄拉克點(diǎn)或K點(diǎn)），導(dǎo)帶和價(jià)帶關(guān)于狄拉克點(diǎn)對稱，因此在純凈的石墨烯中，電子和空穴具有相同的性質(zhì)。即在狄拉克點(diǎn)附近，電子的能量與波矢成線性的色散關(guān)系，E=VFP=VFhk。

其中，VF為費(fèi)米速度，大約為光速的1/300，k為波矢。因此，K點(diǎn)附近電子由于受到周圍對稱晶格勢場的作用，載流子的有效靜質(zhì)量為0，費(fèi)米速度接近于光速，呈現(xiàn)相對論的特性。所以K點(diǎn)附近的電子性質(zhì)應(yīng)該用狄拉克方程（Dirac）進(jìn)行描述，而不是用薛定諤方程（Schrodinger）進(jìn)行描繪。石墨烯的載流子的遷移率超過200，000cm2*V-1*s-1，純凈的石墨烯中電子的平均自由程達(dá)亞微米量級，近似為彈道運(yùn)輸，這在制造高速器件上有著誘人的潛力。