graphene

1.1 石墨烯的结构

graphene目前中文文献中一般称石墨烯，是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。

石墨烯和石墨一样属于复式六角晶格，在二维平面上每个碳原子以sp2杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ 键。剩余的一个p电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围原子形成π键，碳原子间相互围成正六边形平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子。

1.2 石墨烯的性质和应用

石墨烯的一个最重要的性质是电子运输特性，石墨烯表现出了异常的整数量子霍尔效应。其霍尔电导为量子电导的奇数倍，且可以在室温观测到[1-3]。这一现象可以用来证明相对论的量子力学的观点，也就是说石墨烯的电子属于Dirac方程适用范围的电子。

石墨烯被认为在晶体管方面具有广泛的应用前景———它里面的电子可以不通过散射而进行亚微细距离移动。这种特性对于制造需要快速转换信号的晶体管非常重要。这种新膜片可以大幅提高计算机的速度。这一应用前景目前已经被证实。

曼彻斯特大学物理与天文学系的Kostya Novoselov博士及Andre Geim教授在2007年3月份一期的《科学》杂志上报告他们的发现，证明石墨烯（graphene）能被雕刻成具有单个晶体管的微小电路，其尺寸比一个分子大不了多少。研究者说它们的晶体管尺寸愈小，它们的效能愈棒。根据摩尔定律，晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。但是目前这种速度已明显降低，问题在于，若材料尺寸小于10纳米，它的稳定性就很差，半导体会氧化。石墨烯是当前物理与材料科学中最热门的主题，曼彻斯特大学研究团队证明，用单一一片石墨烯刻画出的纳米大小的晶体管依然具备高度地稳定性与导电性——甚至在切成1纳米宽时亦然。哈佛大学教授Bob Westervelt评论道，“石墨烯是一种令人兴奋的新材料，具有非同寻常的属性。未来会十分有趣。”

此外，石墨烯还能加快新药研发的速度；帮助研究者用电子显微镜分析分子时获得更加清晰的分子结构图像，用作精细的筛子，分离气体的不同组成成分等。

1.3 石墨烯的发现及研究进展

石墨烯是2004年由曼彻斯特大学Kostya Novoselov和Andre Geim小组发现的，他们使用的是一种被称为机械微应力技术（micromechanical cleavage）的简单方法。正是这种简单的方法制备出来的简单物质——石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认识——热力学涨落不允许任何二维晶体在有限的温度下存在。现在石墨烯这种二维晶体不仅可以在室温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下。

目前对石墨烯的研究可分为两大方向：基础理论研究和应用方面的研究。在基础研究方面有些报道称石墨烯的稳定存在可以归因于微结构中的结构起伏，但这种认识仍旧确乏证据。而使石墨烯有可能被应用到下一代晶体管的特性——量子霍尔效应已经被Kim小组证实 。还有些研究集中于对石墨烯的鉴别研究上，在这方面主要有直观的AFM研究和无损伤的拉曼光谱研究，还有一种方法就是利用理论研究中非传统的量子霍尔效应，从而区分单层石墨烯（monolayer graphene）和少数层的石墨烯（bilayer graphene），但这种方法不是可行和有效率的方法。另有一种可行方法就是所谓的“肉眼观察法”鉴定石墨烯层，但这种方法又因为实验室条件不同而难以定量的从颜色上区分确定石墨烯，只能凭借有经验的试验者。