黑龙江石墨烯材料的制备及其性能

石墨烯材料可以被描述为是由单层碳原子紧密堆积而形成的二维蜂窝状结构的碳质材料。石墨烯的结构如图1所示，它具有理想的二维晶体结构，碳原子以六元环形式周期性排列于石墨烯平面内，可以被看作是一层被剥离的石墨片层，单层石墨烯材料的厚度仅为0.335 nm，相邻2个碳原子之间距离为0.14 nm。石墨烯具有六角平面网状结构，六角平面内3个sp2杂化轨道互成120°角排列，与相邻碳原子形成共价键。由于石墨烯的这种结构，所以它可以通过卷曲或堆垛来构建其它维数的碳质材料。现在认为，10层以内由单层石墨片层组成的结构可以定义为石墨烯，而大于10层的结构，应该被称为石墨薄膜。由此，石墨烯被分类为单层（monolayer）、双层（bilayer）和多层（multilayer）石墨烯。近年来，研究者已经实现各种石墨烯结构的可控制备。

从1985年富勒烯和1991年碳纳米管的发现开始，碳基材料成为世界范围内的研究热点。石墨烯显示屏已知的由碳元素构成的同素异形体包括三维的金刚石和石墨、一维的碳纳米管以及零维的富勒烯，但其二维结构的同素异形体的研究却一直处于理论探索阶段。在石墨烯被发现以前，理论和实验上都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在。准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温下会迅速分解或拆解，长程有序结构在无限的二维体系中无法维持。然而石墨烯却能在实验中被制备出来，而且还能稳定存在，这一现象被解释为：由三维结构中剥离出来的二维石墨烯结构，由于表面的轻微皱褶而变得自发稳定起来，这种三维方向上的变形弯曲导致弹性能增加的同时抑制了热振动，当高于某一的温度时，可以使总自由能降到最低水平，从而实现了二维石墨烯晶体的稳定存在。