石墨烯概念

石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比表面积高达2.6×102 m2 /g。石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m•K))和力学性能(1.06×103 GPa)。此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。

现在很多公司开发研究出来的石墨烯地暖，都是打着石墨烯的口号来坑蒙拐骗，欺骗消费者对产品知识的不了解。有一个网友说，他去一家地暖公司，去看样板地暖，问什么是石墨烯，销售人员给说的，石墨烯就是有七八层石墨构成的碳原子，叫做石墨烯。而我们所讲的就是单层石墨被称为石墨烯，两层以上的我们称它为石墨烯薄膜。对于销售来讲就是知识概念混淆，不知道讲的是什么东西。对用户就是最大的不负责任。

石墨烯的光学性能

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，具有优异的光学性能。理论和实验结果表明，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，即透过率为97.7%。从基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率依次相差2.3%，因此可以根据石墨烯薄膜的可见光透射率来估算其层数。结合非交互狄拉克-费米子理论，模拟石墨烯的透射率，可以得出与实验数据相符的结果。

理论和实验表明大面积石墨烯薄膜同样具有优异的光学性能，且其光学特性岁石墨烯的厚度发生变化。石墨烯薄膜是一种典型的透明导电薄膜，可以取代氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化铟（FTO）等传统薄膜材料，即可克服ITO薄膜的脆性缺点，也可解决铟资源稀缺对应用的限制等诸多问题。石墨烯透明导电薄膜可作为染料敏化太阳能电池和液晶设备的窗口层电极。

另外，当入射光的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和。这一非线性光学行为成为饱和吸收。在近红外光谱区，在强光辐照下，由于其宽波段吸收和零带隙的特点，石墨烯会慢慢接近饱和吸收。利用这一性质，石墨烯可用于超快速光子学，如光纤激光器等。

石墨烯的电学性能

石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。由于原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生碰撞，石墨烯中的电子收到的干扰也很小。电子在石墨烯中传输时不易发生散射，传输效率1.5×105cm2/( V·s)，约为硅中电子迁移率的140倍。其电导率可达106s/m，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费72%-81%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。现在市场上出现的石墨烯生态地暖就是利用这一特性研究开发出来的新的地暖，同时已经开始大范围的走进了家家户户。

石墨烯的力学性能

石墨烯是一直材料中强度和硬度最高的晶体结构。其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa。石墨烯的强度极限为42N/m2。理想石墨烯的强度约为普通钢的100倍，面积为1m2的石墨烯层片可承受4kg的质量。石墨烯可作为一种典型的二维增强材料，在复合材料领域具有潜在的应用价值。

石墨烯的热学性能

石墨烯的强度比金刚石还要硬，在高温下，还能保持其原有的形态，从这一点就震撼了物理界，主要是因为石墨烯内碳原子排列是有规有律的，当施加外力作用于石墨烯时，内部的碳原子不会发生位移，只是发生了弯曲变形，就可以抵制外力，保证自己的稳定性。

石墨烯的室温热导率是室温下铜的热导率的10倍多，导热系数高5300W/m•K，高于碳纳米管和金刚石。石墨烯的理论比表面积可达2630m2/g，用石墨烯支撑的微传感器可以感应单个原子或分子，当气体附着或脱离石墨烯表面时，吸附的分子改变了石墨烯的局部载流子浓度，导致电阻发生阶跃型变化。这一特性可用于制作气体传感器。理论计算表明，石墨烯与锂可形成多孔复合结构，具有极强的氢气储存能力。

石墨烯的磁学性能

石墨烯氢化以后往往会具有铁磁性，主要是由于石墨烯在氢化以后，在边缘处有孤对电子对，这样就使得石墨烯有磁性。研究人员还在有磁场的情况下，做过通过改变温度，看能否让石墨烯的磁性有所变化。确定磁场强度为1T，当温度T＜90K 时，石墨烯会表现出顺磁特性；当温度T＞90K 时，石墨烯会呈现出了反磁特性。

石墨烯的化学性能

石墨烯的电子性质受到了广泛关注，然而石墨烯的化学性质却一直无人问津，至今关于石墨烯化学性能我们只知道的是：石墨烯可以将周围的原子和分子进行有序的吸附（例如：二氧化氮，氨，钾），这条性质和我们所认知的活性炭有些相似。二氧化氮，氨，钾往往是被作为给体或受体，使得石墨烯内部的碳原子浓度发生变化，然而石墨烯本身就是一种导电材料。其它的吸附物，如氢离子和氢氧根离子则会产生导电性很差的衍生物，但这些都不是新的化合物，只是石墨烯装饰不同吸附物而已。由于石墨烯和石墨都是碳的同素异形体，从化学的角度上来看，往往它们具有一些相同的性质，所以在一些石墨烯不熟悉的领域可以通过石墨来进行相应的实验，来发现石墨烯的规律，有了这条比较简单又方便的思想，在未来，石墨烯更多的化学性质将会被挖掘出来。