件的研究与制造。这类应用基于当前微电子工艺并依托发展中的纳电子技术,进一步实现器件的小型化、功能和速度的优化,开发难度大。另一方面,将碳基材料直接代替硅制备新型的功能器件,如传感器、太阳能电池、电子显示屏等,也具有较大的发展前景,且开发难度相对较低[12]。1.2?石墨烯的性质及应用自然界中存在多种碳的同素异形体,其性质也具有显著差异。从最坚硬、透明的金刚石到黑色、柔软的碳黑,所有性质的差异都源于碳元素可以形成三种不同的轨道杂化方式,即sp1,sp2,sp3。在sp2构型中,碳原子四个外层电子中的三个形成σ键,另一个电子形成π键。较强的σ键间的夹角为120°,碳原子按六方晶格结构排列在一个平面(层)上,层间则通过较弱的π键形成石墨晶体,这样的每一个单独石墨平面则被称作石墨烯(Graphene)。图1.1?石墨烯构成了众多碳材料的基本单元[3]石墨烯最初只是理论上的概念,用于描述单层石墨。如图1.1所示,任何碳的sp2型同素异形体都可以看做是在石墨烯单原子层上选取不同的形状并进行组合的结果[3]。长期以来,理论物理学家始终认为作为独立的二维晶体,石墨烯是不可能满足热力学关系而存在的。在20世纪30年代,Landau和Peierls等科学家就提出严格的二维晶体在热力学上是不稳定的[13,14]。他们认为,在任何有限温度下低维晶体中的热涨落作用会破坏原子的长程有序性,导致二维晶格的分解或聚集。然而,理论的束缚并没有限制石墨烯出现在人们的视线中。2004年,曼彻斯特大学的两位研究人员盖姆和诺沃肖罗夫使用胶带机械剥离法成功获得了单层的石墨烯。在此之后使用透射电子显微镜对这种二维结构进行研究时发现,悬浮的石墨烯中存在大量的褶皱,如图1.2所示[15]。褶皱的存在说明二维的单层石墨烯结构通过调整晶格内部碳-碳键的键长以适应热波动,由此产生的纳米尺度的表面起伏维持了石墨烯二维晶体的稳定性。
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