石墨烯

石墨烯（/ˈɡræfiːn/）是一种碳的同位素，由单层原子排列的二维蜂巢晶格纳米结构构成。这个名字来自于石墨和后缀-ene，反映了石墨的碳同位素包含许多双键的事实。

石墨烯薄片中的每个原子都通过一个强大的σ键与它的三个最近的邻居相连，并为延伸到薄片上的价带提供一个电子。这与碳纳米管和多环芳烃，以及（部分）富勒烯和玻璃碳中发现的相同类型的结合。

价带被传导带触及，使石墨烯成为一种半金属，具有不寻常的电子特性，这些特性最 好由无质量相对论粒子的理论来描述。石墨烯中的电荷载流子在能量和动量之间呈现线性关系，而不是二次关系，用石墨烯制成的场效应晶体管可以呈现双极传导。电荷传输是长程弹道的；该材料表现出大的量子振荡和大的非线性二元磁力。

石墨烯沿其平面非常有效地导热和导电。这种材料强烈吸收所有可见波长的光，这就是石墨呈黑色的原因；然而，由于其极薄，单片石墨烯几乎是透明的。这种材料比相同厚度的最坚固的钢铁强约100倍。

几十年来，科学家们一直在推测石墨烯的潜在存在和生产。几个世纪以来，通过使用铅笔和其他类似的石墨应用，它可能已经在不知不觉中被少量生产。1962年，它可能已经在电子显微镜中被观察到，但只有在支持在金属表面时才被研究。

2004年，这种材料被安德烈-盖姆和康斯坦丁-诺沃塞洛夫在曼彻斯特大学重新发现、分离和研究。2010年，盖姆和诺沃塞洛夫因其对二维材料石墨烯的突破性实验而被授予诺贝尔物理学奖。事实证明，高质量的石墨烯令人惊讶地易于分离。

石墨烯已经成为一种有价值和有用的纳米材料，因为它具有极高的抗拉强度、导电性、透明度，而且是世界上最薄的二维材料。2012年，石墨烯的全球市场为900万美元，大部分需求来自半导体、电子、电动电池和复合材料的研究和开发。

国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）推荐用石墨这一名称来表示三维材料，而石墨烯只在讨论单个层的反应、结构关系或其他特性时使用。狭义的定义，即孤立的或独立的石墨烯，要求该层与环境充分隔离，但也包括悬浮或转移到二氧化硅或碳化硅的层。

1859年，Benjamin Brodie注意到热还原氧化石墨的高度片状结构。1916年，Peter Debye和Paul Scherrer通过粉末X射线衍射确定了石墨的结构。1918年，V. Kohlschütter和P. Haenni更详细地研究了该结构，他们还描述了氧化石墨纸的特性。1924年，通过单晶衍射确定了其结构。

1947年，P.R.华莱士首次探讨了石墨烯的理论，作为理解三维石墨电子特性的起点。1984年，戈登-沃尔特-塞梅诺夫以及大卫-P-迪文森佐和尤金-J-梅勒分别首次指出了出现的无质量狄拉克方程。塞梅诺夫强调，在磁场中出现的电子朗道级正好位于狄拉克点。

由几个石墨层组成的薄石墨样品的透射电子显微镜（TEM）图像由G. Ruess和F. Vogt在1948年发表。最终，单层也被直接观察到。通过透射电子显微镜也观察到了散装材料中的石墨单层，特别是在通过化学剥离获得的烟尘内部。

1961-1962年，Hanns-Peter Boehm发表了对极薄石墨片的研究，并为假设的单层结构创造了石墨烯这个术语。这篇论文报告了石墨片的额外对比度，相当于低至~0.4纳米或3层无定形的碳原子。这是1960年TEMs的最佳分辨率。然而，无论是当时还是今天，都无法论证这些片状物中有多少层。我们现在知道，石墨烯的TEM对比度在很大程度上取决于焦点锥度。