1.2　石墨烯的性能

首先，石墨烯是一种纳米材料。相比宏观材料而言，纳米材料主要有四大效应可被有效利用。

①小尺寸效应　当物质尺寸减小至与光波波长相当甚至更小时，其内部晶体周期性边界条件被破坏，物质表现出尺寸依赖的特殊性质，如发光光谱的改变、金属-绝缘体转变等。

②表面与界面效应　物质的尺寸越小，比表面积越大，表面原子所占的比例也越大。表面原子数的增大使表面活性提高，有利于材料的界面调控。

③量子尺寸效应　当物质的尺寸降低到某一临界值时，费米能级产生分裂，由连续态变成离散态，可被用于对物质的能带及光吸收的调控。

④宏观量子隧道效应　纳米材料的一些宏观物理量也可表现出隧道效应，在记忆材料和器件中具有重要的应用价值。

石墨烯除了具有上述纳米材料的诸多优势外，由于其独特的电子结构，石墨烯还具有许多自身所特有的优异性能。下面仅就其电学、力学、光学、热学等性能做简单的介绍。

1.2.1　电学性能

单层石墨烯仅有一层原子，其电子运动被限制在平面内，根据紧束缚近似原理计算单层石墨烯的能带结构如图1.4所示，导带和价带相交于狄拉克点，是一种带隙为零的半金属材料^[3]。狄拉克点处的载流子满足线性色散关系，有效质量为零。电子沿着石墨烯晶格传输时，运动速度高达10⁶m/s（约为光速的1/300），且电子的室温迁移率超过1.5×10⁴cm²·V^-1·s^-1，空穴迁移率与电子相似^[4]。单层石墨烯电阻率达10^-6Ω·cm，是已知的电阻率最低的导电材料^[4，5]。双层石墨烯不再满足线性色散关系，而多层石墨烯的能带结构则更加复杂，导带和价带产生分裂从而出现禁带^[3]。石墨烯特殊的能带结构使其具有许多不同于一般凝聚态物质的物理化学特性，如室温下亚微米尺度呈现弹道输运特性^[6]、反常的量子霍尔效应^[7]、安德森弱局部变化^[8]及非零最小量子电导^[9]等。这些现象原本在粒子物理中较难观察，而石墨烯则为此类研究提供了新的平台。

图1.4　单层石墨烯的能带结构^[3]

1.2.2　力学性能

石墨烯十分轻薄且坚硬，理想的石墨烯强度约为普通钢的100倍。根据Lee等的原子力显微镜纳米压痕测量结果，独立存在的缺陷极少的单层石墨烯的弹性模量高达1TPa，断裂强度为42N·m^-1，在25%拉伸应变条件下其抗拉强度为130GPa^[10]。Ni等基于分子动力学计算了石墨烯的力学性能，发现石墨烯的应力-应变曲线与普通金属类似，也呈现出弹性变形、屈服、强化和断裂各种形变阶段^[11]。Wang等报道多层石墨烯具有明显的各向异性，其层间剪切模量和剪切强度分别为4GPa和0.08MPa^[12]。

1.2.3　光学性能

实验表明，石墨烯具有良好的透光性，其光吸收率如图1.5（a）所示。单层石墨烯对光的吸收仅2.3%，并随层数的增加依次相差2.3%，因此可以通过透光率推导出大面积石墨烯薄膜的层数。另外，基于光路干涉效应，不同层数的石墨烯在二氧化硅基底上将呈现有区别的颜色对比，据此可以分辨石墨烯的层数。该方法简单准确，且对样品无损^[13]。

图1.5　石墨烯的光吸收率^[15]（a）与大面积石墨烯透明导电薄膜^[14]（b）

石墨烯良好的透光性使其在光电探测及透明导电薄膜领域有广阔的应用前景。图1.5（b）所示为Bae等人采用卷对卷法制备的大面积石墨烯透明导电薄膜。该薄膜尺寸达30in（1in=25.4mm），透光率为97.4%，方阻仅为125Ω·□^-1[注]，且通过掺杂和增加厚度其方阻还可进一步降低^[14]。

1.2.4　热学性能

电子器件长时间工作会出现过热而失效或引发安全事故，所以导热性是现代电子器件材料中的一个十分重要的指标。单层石墨烯的热导率可达1500～4600W·m^-1·K^-1[16，17]，超过常用的散热材料铜[401W·m^-1·K^-1]和最好的导热金属银[420W·m^-1·K^-1]。

此外，石墨烯是已知材料中最薄的一种。每个晶格中碳原子数为2，由碳-碳键长及碳原子质量可估算其面密度为0.77mg/m²。石墨烯的理论比表面积为2630m²/g，可以吸附和脱附各类原子和分子，通过适当的官能团修饰及掺杂修饰，可进一步提高其化学活性。