石墨烯的性质介绍

1.电学性质

石墨烯具有独特的载流子特性。作为零带隙半导体，石墨烯表现出双极化电场效应，载流子浓度在电子和空穴之间能够连续变化，并可高达10e13/cm2。室温下的载流子迁移率（μ）可达1.5×10e4cm2/Vs以上。在300K下，μ仍受杂质散射的限制，将杂质散射减少到最小时，悬浮石墨烯的迁移率超过2×10e5cm2/Vs8。尽管室温下一些半导体如锑化铟（InSb）表现出高的μ值，约为7.7×10e4cm2/Vs，但这些值是引用于未杂化的块体半导体。在电学和化学杂化的器件中，石墨烯仍具有高的μ值，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性，在300K时为0.3μm。

石墨烯具有室温下的半整数量子霍尔效应（QHE）。由电子和空穴共同参与的基态（N=0）导致石墨烯具有奇特的QHE，其霍尔电导率的位置出现在±4e2/h(N+1/2)处（其中N是朗道能级指数），即石墨烯具有半整数霍尔电导率σxy。Miller等利用扫描隧道显微镜（STM）研究了生长于SiC的石墨烯的不连续性和非等距朗道能级谱图，包括石墨烯的特征基态。然而，非相互作用的狄拉克-费米子的图像更适合于在低能级激发态的石墨烯14，强的相互作用和组合效应被预测在狄拉克点附近。最近，研究者们实验观察了高质量悬浮石墨烯的半整数QHE行为，并发现从低温1.2K和低磁场2T升至温度20K，磁场12T时半整数QHE是相当稳定的。

2光学性质

从基础科学及技术的角度出发，石墨烯的光学性质令人期待。大量的实验研究表明从可见光到红外光谱范围内，单层石墨烯仅具有2.3%的带间吸收。仅在远红外和紫外光谱内观测到偏离现象。此外，当波长大于2.48μm时，多层石墨烯的吸光率是增加的，石墨烯与光之间有很强的相互作用。

石墨烯具有高导电率及光透射性，在太阳能电池、平板显示器、触摸屏和有机发光二级管等应用领域将会成为一种极好的导电电极材料。目前，氧化铟锡（ITO）被广泛应用于这些领域。ITO具有小于100?/□的薄膜表面电阻率和90%的光透明度，但ITO的缺点是易碎且昂贵。因此，为了取代ITO，亟需通过稳定的掺杂来增加大面积多层石墨烯的导电性。最近，文献报道利用卷对卷技术，将HNO3化学掺杂于通过化学气相沉积在铜上生长得到的石墨烯层，其薄膜表面电阻率低至30?/□，光透明度为90%，并被应用于触摸屏平板器件。

石墨烯除了线性光学性质外，它的非线性光学性能也被发现。石墨烯具有宽的吸收范围，因此是一个很好的饱和吸收体。尽管缺乏能带隙，在光电探测器中石墨烯仍能作为有源元件。大量石墨烯光致激发产生的电子-空穴对能够迅速再结合，同时产生一个纯的光电流。这个效应是石墨烯作为光电探测器的基础。石墨烯的优点包括一系列宽波长范围的吸收、快速载流子运输及电子-空穴对具有非常高的迁移率都可应用于光电探测器中。

3.力学性质

根据理论计算，石墨烯是目前已知力学强度最高的材料。利用密度泛函微扰理论计算出石墨烯的弹性模量为1.05TPa。石墨烯裂断强度是钢的200倍，并利用原子力显微镜（AFM）纳米压痕技术测量出石墨烯堆垛层的杨氏模量为0.5TPa，弹簧常数为1-5N/m。利用同样的方法，Lee等研究了单层无缺陷石墨烯的弹性张力-应变响应，测得刚度为300-400N/m，断裂强度为42N/m，这是一个无缺陷薄层的固有强度。杨氏模量约为0.5-1.0TPa，这与大量石墨的测试结果非常接近。尽管，悬浮氧化石墨烯（GO）含有缺陷，但它却保留了完整的机械性能，杨氏模量约为0.25TPa。这些数据结合相对廉价的薄层石墨及GO易于混合到高分子基体中的优点，使石墨烯掺杂成为增强材料机械性能的理想途径之一。

另一方面，具有高张力的单层石墨烯可作为最终的薄层材料应用于纳机电系统（NEMS），如压力传感器和共振器等领域。将机械剥落的单层和多层石墨烯固定于SiO2基底的沟槽里来制备基于石墨烯的纳米电子机械系统。通过实验发现能够被光或是电引发的基共振频率在50-200MHz范围内，室温下的电荷灵敏度低至8×10-4e/Hz1/2，真空度小于10-6torr的品质因子为80。通过非传统AFM技术的驱动振动模式原位成像表明，沉积于石墨烯上的初应力的不均匀性导致了石墨烯边缘的外在纳米尺度振动固有模式的最大振幅。悬浮石墨烯的张力和不可渗透性则为气体传感器的应用提供了最有利的原子级厚度的支持膜。

4热学性质

石墨烯是一种热学性质稳定的材料，这归结于石墨烯在纳米尺度上的微观扭曲。

石墨烯的热传导系数k是由声子输运主导的，包括在高温下的扩散传导和在低温下的弹道传导。由于非掺杂石墨烯的载流密度相对较低，电子对导热性（维德曼-夫兰兹定律）的影响可以被忽略。基于Green-Kubo方法的分子动力学模拟表明，当温度T增加超过100K时，无缺陷石墨烯的热传导系数k与温度T成反比（k∝1/T）。理论预测，室温下单层悬浮石墨烯的热传导系数是6000W/mK，并且这个值要远远高于宏观石墨材料的热传导系数。基于Boltzmann方程的理论计算预测，当扩散传导主导热传导系数k时，k与石墨烯纳米带（GNRs）的宽度d及边缘的粗糙程度有特定的关系。此外，人们利用非平衡分子动力学研究了具有不同边缘形状的GNRs的k值与长度、宽度和张力的关系，表明GNRs热传导系数k与自身长度L的指数成正比（kL∝β），室温下β在0.3-0.5之间变化。热传导系数与长度L的相关性表明，GNRs具有非常长的声子平均自由路程。

最近，Balandin等利用非接触光流技术测量拉曼（Raman）光谱中G带位移的变化来获得单层悬浮石墨烯片的热传导系数为5×103W/mK。在相对低的激光能量下，石墨烯G带的红移与样品的温度成线性关系。利用化学气相沉积（CVD）生长的石墨烯沉积于孔状的氮化硅薄膜，热传导系数为2.5×103W/mK（350K下）。Seol等报道沉积于SiO2基底上由微机械剥落得到的石墨烯的热传导系数是0.6×103W/mK，并高于金属铜的热传导系数，但这个值低于由化学气相沉积生长得到的悬浮石墨烯的k值，这主要是由于声子泄漏横跨石墨烯支撑界面和挠曲模式的强界面散射造成的。