石墨烯的物理化学特性

石墨烯的物理化学特性

物理特性

内部结构：石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，并有如下特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向方可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。石墨烯中碳原子的配位数为3.每两个相邻碳原子间的键长为1.42X10-10米，键与键之间的夹角为120°。除了δ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能。

力学特性

石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。由石墨烯薄片组成的石墨纸拥有很多的孔，因而石墨纸显得很脆，然而，经氧化得到的功能化石墨烯，再有功能化石墨烯做成石墨纸则会异常坚固强韧。

电子效应

石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/（V.s），这一数值超过了硅材料的10倍，是目前已知载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/（V.s）。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50-500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm2/（V.s）左右。

热学性能

石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管（3500W/mK）和多壁碳纳米管（3000W/mK）。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。

光学特性

石墨烯具有非常好的光学特性，在较宽的波长范围内吸收率约为2.3%，看上去几乎是透明的。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加2.3%。大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。这是单层石墨烯所具有的不同寻常低能电子结构。室温下对栅极双层石墨烯场效应晶体管施加电压，石墨烯的带隙可在0-0.25eV间调整。施加磁场，石墨烯纳米带的光学响应可调谐至太赫兹范围。

当入射的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和。这些特性可以使得石墨烯可以用来做被动锁模激光器。这种独特的吸收可能成为饱和时输入光超过一个阈值，这称为饱和影响，石墨烯可饱和容易下可见光强有力的激励近红外地区，由于环球光学吸收和零带隙。由于这种特殊性质，石墨烯具有广泛应用在超快光子学。石墨烯/氧化石墨烯层的光学响应可以调谐电。更密集的激光照明下，石墨烯可能拥有一个非线性相移的光学非线性克尔效应。

溶解性

在非极性溶剂中表现出良好的溶解性，具有超疏水和超亲油性。

量子点

一般是在横向尺寸在100nm以下，纵向尺寸可以在几纳米以下，具有一层、两层或者几层的石墨烯结构，也就是特殊的非常小的石墨烯碎片。它的特性来源于石墨烯以及碳点，表现出生物低毒性、优异的水溶性、化学惰性、稳定的光致发光、良好的表面修饰。

化学特性

石墨烯可以吸附并脱附各种原子和分子。当这些原子或分子作为给体或受体时可以改变石墨烯载流子的浓度，而石墨烯本身却可以保持很好的导电性。但其吸附其他物质时，如H+和OH-时，会产生一些衍生物，使石墨烯的导电性变差，并没有产生新的化合物。

氧化性

可以活波金属反应。

还原性

可在空气中或是被氧化性酸化，通过该方法可以将石墨烯裁成小碎片。石墨烯氧化物是通过石墨氧化得到的层状材料，经过加热或在水中超声剥离过程很容易形成分离的石墨烯氧化片层结构。

加成反应

利用石墨烯上的双键，可以通过加成反应，加入需要的基团。

稳定性

石墨烯的结构非常稳定，碳碳键仅为1.42。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。

生物相容性

羧基离子的植入可使石墨烯材料具有表面活性功能团，从而大幅度提高材料的细胞和生物反应活性。石墨烯呈薄纱状与碳纳米管的管状相比，更适合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的边缘与碳纳米管的管状相比，更长，更易于被掺杂以及化学改性，更易于接受功能团。