摘 要：自2004年曼彻斯特大学的安德烈海姆第一次研究出石墨烯以来，由于其自身具有的特殊性质，多个科学家对其性能进行了研究，就发现其具有应用推广的可能性。理想的石墨烯是由碳原子所组成的正六边形，形状同传统的网相似，是至今所发现的最薄的材料。石墨烯自身的特殊性打破了自由态二维晶体结构热力学稳定性差，不能在普通环境当中存在的说法，而且将碳材料家族当中的成分进行了充实。
关键词：石墨烯；物理性质；研究
中图分类号：O613.71 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）15-0328-01
1 前 言
石墨烯具有自身的特殊性，研究人员通过多种方法对其物理及材料特性进行了试验。石墨烯的材料强度在所有已知材料中是比较高的，其强度最高的能够达到钢的一百多倍，同时它的载流子迁移率是至今已知的迁移率最高的锑化铟材料的两倍，商用硅片的迁移率高了十倍以上。而且石墨烯的导热率是金刚石的三倍，具备室温量子霍尔和室温铁磁性质。在石墨烯为平面晶体片的时候，可以使用常规加工方法制作各种纳米器件。
2 石墨烯概述
实际上，在科学家研制出来以前，石墨烯就已经在自然界中存在，但是因为其很难进行单层结构的剥离，所以石墨烯后来才被发现并命名。在科学史上，对于石墨烯的定义是由太原子以sp2杂化轨道组成然后得到的呈六角形的蜂巢晶格，属于二维碳纳米材料。当石墨烯经过一层层累加折叠时，最终所形成的材料就是石墨。在单位为1mm的石墨烯当中，所拥有的石墨烯大概有300萬层，有的时候我们在纸上用铅笔写下一行字，甚至是轻轻地留下痕迹，可能就会有一层石墨烯。
石墨烯最早是在2004年被英国曼彻斯特大学的科学家，安德列盖姆以及康斯坦丁诺沃肖洛夫所发现。提出两者是在对石墨进行实验时发现能够使用一种简单的方法，将石墨进行更薄的分离。他们采用的方法是进行高定向热解石墨，然后从中剥离出石墨片。在石墨片的两面，分别粘上一层特殊的胶带，然后用力将胶带撕开，就能够使石墨片变成两半，通过这样的方式不断循环，最终将石墨片分解得越来越薄，最终他们得到了只存在一层碳原子的薄片，这个薄片就是石墨烯。在两者发现石墨烯之后，制备石墨烯的方法越来越多。五年后，两者又在单双层石墨烯体系中发现了整数量子霍尔效应和常温条件下的量子霍尔效应。依靠这项发现两者在2010年获得诺贝尔物理奖。石墨烯的出现打破了传统物理学家的认知，给凝聚体物理学学术界带来了巨大的震动，引起了非常强烈的反响。
3 石墨烯物理性质分析
（1）石墨稀有的力学特性。先前已知的材料当中，石墨烯的强度是最高的，而且在具有高强度的同时，它还具有非常好的韧性，能够进行任意的弯曲。经过实验证明，石墨烯的杨氏模量达到了1.0tpa，拉伸强度是130gpa。在使用石墨烯的时候，可以将其同其它离子进行结合，将其与氢离子进行结合改性所得到的材料就是还原石墨烯，该种材料的强度也非常好，经过实验其杨氏模量平均水平在0.25tpa。将石墨烯薄片进行叠加组合就得到石墨纸，其表面拥有很多的孔，所以这种纸显得非常脆。但是如果将石墨烯进行氧化，就会得到功能化石墨烯，利用功能化石墨烯进行叠加所得到的石墨纸则会非常坚固，并且强韧。可以发现，石墨烯本身具有非常高的强度以及韧性，将其与其他离子或者其他化学反应所得到的材料也会拥有石墨烯的力学特性，虽然有所减少，但是同其他材料相比，仍具有一定的优越性。
（2）石墨烯的电子效应。在常温下对石墨烯进行实验，发现其载流子迁移率是15000cm2/（V.s），通过对比发现常用的硅材料载流子迁移率在室温状态下仅为石墨稀的1/10，而目前所知道的载流子迁移率最高的物质是锑化铟，即使如此，石墨烯的载流子迁移率仍旧比锑化铟高，并且达到了两倍以上。在室温状态下石墨烯的载流子迁移率已经比较高了，而在低温情况下，石墨烯的载流子迁移率会达到室温状态下的十倍以上。和其他材料不一样的地方是石墨烯自身的电子迁移率受周边温度的影响非常小，在温度范围为5万～50万之间的任何温度，单层石墨烯的电子迁移率都能够稳定在15000cm2/（v.s）。除此之外，石墨烯还拥有半整数量子霍尔效应，这种效应能够在电场的作用下通过电子载体以及空穴载流子所引起的化学势间接观察到。科学家在对其进行实验时，在室温条件下就已经观察到了这种量子霍尔效应。石墨烯内部所存在的载流子在进行运动时并不是毫无规律的，而是遵照一种非常特殊的量子隧道效应，当载流子在运行过程当中遇到杂质时，不会出现背散射的情况，这就是石墨烯具有非常高的载流子迁移率以及局域超强导电性的原因。
（3）石墨烯拥有非常良好的热传导能力。在实验中测试完好的没有任何缺陷的单层石墨烯，测得其导热系数为5300/mK，在如今已知的碳材料当中，其导热系数已经处于最高水平，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的导热系数都没有石墨烯高。不止自身的导热系数高，当其作为载体进行热传导时导热系数也达到了600w/mK。
（4）石墨烯的光学特性。在光的波长较宽的范围内，石墨烯的吸收率大概在2.3%，这时候的石墨烯看上去呈透明状。若是进行层与层的石墨烯叠加，每增加一层石墨烯，其自身的光吸收率会增加2.3%。同样地可用于大面积的石墨烯薄膜，也具有非常好的光学特性。
4 结束语
自从石墨烯被发现以来，在多领域当中，其具有的优良性能都得到了体现。在今后的研究过程当中，石墨烯自身具有的更多优良特性也将会被发现，并且被应用到多领域当中，为社会生活以及经济发展做出非常重要的贡献。
参考文献
[1]Liang J J，Xu Y F，Huang Y，Zhang L，Wang Y，Ma Y F，Li F F，Guo T Y，Chen Y S.Infrared-triggered actuators from graphene-based nanocomposites.J Phys Chem C，2015，113：9921～9927.
[2]孙大立，彭盛霖，欧阳俊，等.物理化学学报，2018（05）：65～66.
收稿日期：2018-4-23
