关于石墨烯结构和形态

2022-10-26 13:50:27 56902

石墨烯概要:石墨烯是迄今为止人们发现的最薄的物质,它由碳原子排列形成的单原子层六边形晶格结构所构成,厚度仅为一个原子的尺度,约为0.36nm。碳原子在周期表中处于第6位。


石墨烯作为最轻薄的碳材料,在介绍石墨烯德结构和形态前,我们先简短回顾下碳材料的种类和形体。

碳有多种同素异形体,传统上可分为三类:金刚石、石墨和无定形碳。有争议的卡宾可另作一类,第四类。近代发现的则有多种类型纳米碳,可作为第五类。纳米碳是指具有纳米尺度、能够单独存在的各种碳同素异形体,包括石墨烯、富勒烯、碳量子点和碳纳米管以及大量其他形式,如纳米锥(nanocone ornanohorn)、竹样纳米管(bamboo nanotube)、人字形纳米管(herringbonetube)、螺旋纳米管(helical nanotube)、纳米钟或项链管(nanobell ornanotube)necklace)和纳米碳洋葱(carbon onion)等。其中,石墨烯可视为构成其他异形体的基本单元。


石墨烯是迄今为止人们发现的最薄的物质,它由碳原子排列形成的单原子层六边形晶格结构所构成,厚度仅为一个原子的尺度,约为0.36nm。碳原子在周期表中处于第6位。每个碳原子含有6个电子,构成1s2、2s2和2p2原子轨道,其中2个电子位在内壳层(1s),它们紧靠原子核,与碳原子的化学活性无关,而其余4个电子则分别位于2s和2p轨道的外壳层。由于碳原子中2s与2p的能级相差不大,这4个电子的波函数能够相互混合,这些轨道称为杂化轨道。在碳物质中.2s与p轨道的混杂导致形成3个可能的杂化轨道,即sp2和sp3。通常标记为sp"杂化,n=1,2,3。


石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道排列构成的单层二维晶体,其晶格呈六边形蜂巢状结构,如图1.7所示[17]。每个碳原子与周围3个相邻碳原子以sp2杂化轨道形成3个σ键。碳-碳键的长度约为0.142nm,键与键之间的夹角为120°。每个碳原子贡献剩下的一个p轨道电子形成大π键。可见,构成六边形晶格结构的碳碳键骨架由∮键参与构成,连接稳固,而形成π键的p轨道电子可以自由移动,赋予石墨烯优良的导电性。

石墨烯结构稳定。构成石墨烯的各个碳原子之间的连接强而柔韧。当承受外力时,碳原子平面会发生弯曲形变,使得碳原子不必重新排列以适应外应力,保持了自身的结构稳定性。这种稳定的晶格结构也使石墨烯具有良好的导热性。
存在缺陷的石墨烯,其原子结构除去六边形晶格外,也出现五边形或七边形的晶格。
石墨烯是许多碳同素异形体的基本构造单元,例如,它可以构成零维的富勒烯,卷成一维的碳纳米管,三维的石墨则可以看成由很多层的石墨烯堆垛而成。

高分辨透射电子显微术(HRTEM)和扫描隧道显微术(STM)都可用于直接观察石墨烯的原子结构。高质量石墨烯的HRTEM像。图中白色单元代表碳原子。图像使用MacTeMPas软件通过电子通道波函数从15幅晶格像中获得。

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