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图1.1 石墨烯示意图
事实上，石墨烯的出现并不是一帆风顺的，尽管早在60多年前人们就已经从理论上开始研究，对二文石墨烯的能带结构和电子动力学性质有所了解，并用于研究其中各种碳基材料。但科学界一直进行着关于准二文晶体是否存在的理论。由于平面结构的热力学性质不稳定，二文单层石墨烯薄片曾经一度被认为是不能自由存在的，仅仅是个“学术物质”。早在1935年，Peierls就认为准二文晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解或拆解[5]。1966年，Mermin和Wagner提出的Mermin-Wagner理论也表明不存在二文晶体材料。因而单层石墨烯当时只是作为研究碳纳米管的理论模型而受到了人们的关注[6]。直到2004年，K.S.Novoselov和A.K.Geim研究员用一种极为简单的机械剥离法观测到了单层石墨烯晶体，才引起了科学界新一轮的研究热潮[7]。在过去的短短数年内石墨烯已经在理论研究和实际应用领域充分展现出无穷的魅力，迅速成为材料科学、纳米电子器件、凝聚态物理等各个领域最为活跃的研究前沿。毫无疑问，石墨烯是继碳纳米管、富勒烯后碳元素家族中又一个重大发现。
1.1.2 石墨烯的各种性质
众所周知，石墨烯具有特殊的物理，化学和热学性质，此外其应用范围也已经远远不限于电化学领域，它本身就是一种重要的制造电极设备的材料[1]。它具有电极材料的性质，而且尤为重要的是在能量产生和存储方面中应用的比表面积性质，理论上报道石墨烯的比表面积达到2630 m2•g-1，远超碳纳米管和石墨，它们报道过的比表面积分别为1315 m2g-1和10 m2g-1[8]。此外石墨烯另一个引起广泛关注的是它的电导率，这得益于共轭的sp2碳结构，报告中其电导率达到64 mS•cm-1，这接近与碳纳米管（CNT）的60倍，而且还能稳定存在于一系列温度中，这在许多要求稳定性的能源应用中是非常重要的[9]。此外，石墨烯还具有对能源相关设备和电极材料非常重要的性质，那就是即使在室温条件下，用光速作为费米速度，石墨烯仍然能表示出半整数量子霍尔效应。更有趣的是石墨烯不同于一般材料，它不同寻常的能带结构，使得在形式上它的准粒子和迪拉克费米粒子是相同的[11]。石墨烯的电荷密度可以用电极来控制，电荷载体可以在电子和空穴之间调成连续的，即使在电子和化学设备中保持高度集中，电子迁移率仍然能保持很高，它能在亚微米尺度上转化成弹道运输模式。比如当石墨烯纳米单层为150 nm，在高于Si和SiO2电极下，石墨烯可以得到超高电子迁移率。对于石墨烯，电荷迁移率超过200000 cm-2 v-1s-1,电子密度达到2×2011cm-2是可以得到的，而与之对比的Si的电子迁移率在1000 cm-2 v-1s-1左右，这就意着石墨烯的电子迁移率是Si的200倍[8]。石墨烯中的快速电荷载体不仅发现是连续的，而且还呈现出晶体性质，这也表明电荷载体可以在无散射情况下穿越数千个内部原子距离，即使是在有金属杂质干扰的情况下。这说明石墨烯也可以作为通道材料，如制作一个可以高速运转且低电力消耗的晶体管[13]。此外，在石墨烯中双极电场效应是很明显的，这源于它独特的性质，为此有人推测，在石墨烯中是可以加载超电流的。进一步而言，石墨烯纳米单层为电荷运输提供了一个特殊的两文环境，最近我们还发现石墨烯的电荷载体是驻留在边缘而不是内部，前者在电化学上类似于平板边缘，而后者基本上更似平板，高度有序的热解石墨缺陷，意着电荷转移在边缘速度远大于其在内部速度。
石墨烯与碳纳米管（CNT）相比，一个明显的优势就在于它并没有那些长期困扰CNT的问题，比如残留的金属杂质，这在化学气相沉积法合成过程中是肯定存在的，由此而阻碍了CNT的应用，比如当考虑能源设备制造性能稳定时。而石墨烯就基本排除这一问题，因为石墨烯在化学气相沉积生产过程中使用的是非金属催化剂，但是请注意，在这种合成石墨烯的方法下，控制实验仍然需要许多操作，在缺陷和实验重复性上和CNT合成一样也可能面临很多问题。当和石墨相比时，石墨烯在能源设备中应用的优势就更能体现，石墨烯单片（GNS）是灵活的，这很适用于同样灵活的电子设备和储能设备，而脆性的石墨就完全没有了[14]。
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