石墨烯概要：石墨烯是迄今為止人們發(fā)現(xiàn)的最薄的物質(zhì)，它由碳原子排列形成的單原子層六邊形晶格結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，厚度僅為一個原子的尺度，約為0.36nm。碳原子在周期表中處于第6位。

石墨烯作為最輕薄的碳材料，在介紹石墨烯德結(jié)構(gòu)和形態(tài)前，我們先簡短回顧下碳材料的種類和形體。

碳有多種同素異形體，傳統(tǒng)上可分為三類：金剛石、石墨和無定形碳。有爭議的卡賓可另作一類，第四類。近代發(fā)現(xiàn)的則有多種類型納米碳，可作為第五類。納米碳是指具有納米尺度、能夠單獨存在的各種碳同素異形體，包括石墨烯、富勒烯、碳量子點和碳納米管以及大量其他形式，如納米錐（nanocone ornanohorn)、竹樣納米管（bamboo nanotube）、人字形納米管（herringbonetube)、螺旋納米管（helical nanotube）、納米鐘或項鏈管（nanobell ornanotube)necklace)和納米碳洋蔥（carbon onion）等。其中，石墨烯可視為構(gòu)成其他異形體的基本單元。

石墨烯是迄今為止人們發(fā)現(xiàn)的最薄的物質(zhì)，它由碳原子排列形成的單原子層六邊形晶格結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，厚度僅為一個原子的尺度，約為0.36nm。碳原子在周期表中處于第6位。每個碳原子含有6個電子，構(gòu)成1s2、2s2和2p2原子軌道，其中2個電子位在內(nèi)殼層（1s），它們緊靠原子核，與碳原子的化學活性無關(guān)，而其余4個電子則分別位于2s和2p軌道的外殼層。由于碳原子中2s與2p的能級相差不大，這4個電子的波函數(shù)能夠相互混合，這些軌道稱為雜化軌道。在碳物質(zhì)中．2s與p軌道的混雜導致形成3個可能的雜化軌道，即sp2和sp3。通常標記為sp"雜化，n=1,2,3。

石墨烯是碳原子以sp2雜化軌道排列構(gòu)成的單層二維晶體，其晶格呈六邊形蜂巢狀結(jié)構(gòu)，如圖1.7所示[17]。每個碳原子與周圍3個相鄰碳原子以sp2雜化軌道形成3個σ鍵。碳-碳鍵的長度約為0.142nm，鍵與鍵之間的夾角為120°。每個碳原子貢獻剩下的一個p軌道電子形成大π鍵?？梢姡瑯?gòu)成六邊形晶格結(jié)構(gòu)的碳碳鍵骨架由∮鍵參與構(gòu)成，連接穩(wěn)固，而形成π鍵的p軌道電子可以自由移動，賦予石墨烯優(yōu)良的導電性。

高分辨透射電子顯微術(shù)（HRTEM）和掃描隧道顯微術(shù)（STM）都可用于直接觀察石墨烯的原子結(jié)構(gòu)。高質(zhì)量石墨烯的HRTEM像。圖中白色單元代表碳原子。圖像使用MacTeMPas軟件通過電子通道波函數(shù)從15幅晶格像中獲得。

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