石墨烯的c是什么雜化（不吹不黑，石墨烯配得上“新材料之王”的稱號嗎）

　　出品：科普中國

　　制作：Dumuzhou 中科院半導體所

　　監制：中國科學院計算機網絡信息中心

　　石墨烯作為一種納米材料經常出現在新聞里，它被媒體稱為"新材料之王"，這是言過其實？還是確有其事？

　　這種"新材料"貌似與我們的距離非常遙遠。而實際上，它卻早已出現在生活中，只是沒被我們察覺罷了。比如石墨烯口罩已經面世，而且其防霧霾效果遠遠優于市面上的口罩。

　　

　　△不同材質口罩的作用（圖片來自：https://m.tb.cn/h.e047XTF）

　　石墨烯有著優越的性能

　　1、是很好的阻隔材料

　　石墨烯是一種很致密的材料，由于原子和原子之間的距離很近，只有0.142nm，所以它的鍵很短。也就是說，包括氫氣、氦氣這么小的分子、原子都沒有辦法穿過它。因此它是一種很好的阻隔材料，比表面積可以達到2630平方米每克，面積非常大。

　　

　　△電鏡下的石墨烯結構（圖片來源

　　http://polymer.zju.edu.cn/gc/index.php?c=Index&a=news_detail&catid=173&id=8687）

　　我們可以利用石墨烯的性質來做一些過濾的材料，在上面開一些我們能控制尺寸的小洞，就可以分離不同的氣體或者是液體。比如海水里面的鹽的分離和水、氣分離，空氣中的氧氣跟氮氣的分離或者各種揮發性有機物之間的分離。

　　

　　△圖片展示石墨烯如何過濾水中的鹽（圖片來源：

　　http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=40935）

　　2、力學拉伸強度相當于鋼鐵的一百倍

　　一種普遍認為的結構式見下圖：

　　

　　△圖片來源：

　　http://www.sohu.com/a/257080200_100193435

　　我們在學校里學的一直是：二維材料這樣一層原子組成的結構在熱力學上是不穩定的，可能會坍塌。雖然在二維層面有一個很強的化學鍵連接，但是在層和層之間是一種很弱的化學鍵（這個化學鍵叫范德華力是一種弱連接）。就像一張紙有兩個足球場那么大，但它自己無法支撐自己，除非放在什么上面才行。

　　但是石墨烯不一樣，石墨烯的力學性質非常之強，它的力學拉伸強度達到130GPa，相當于鋼鐵的一百倍。通過理論計算可得，如果石墨烯有效的連接厚度能夠達到一毫米，它甚至能夠撐起一頭成年大象的重量。

　　

　　△圖片來源：

　　http://www.xiyujundi.com/news/hangye/63.html

　　石墨烯的力學性質為何如此強，是因為在每一個碳周圍有三個"鄰居"，這三個"鄰居"形成的碳的鍵非常短、非常強，支撐了石墨烯高強的力學性質。

　　

　　△圖片來源：https://www.soogif.com/

　　3、石墨烯的導電性能十分優越

　　理論上講，石墨烯厲害的性質還不止如此，它的電學性質也同樣出色，電子遷移率可以達到200,000cm2/Vs，是硅的一百倍。

　　

　　△圖片來源：

　　https://www.smzdm.com/p/11444979/

　　什么是電子遷移率呢？就是說電子在這種材料里可以跑得多快。一個材料的導電性由兩件事情決定，一個是電子在里面跑多快，第二是有多少電子在里面跑。

　　晶格結構賦予石墨烯優異的導電性能，石墨烯的電子結構可以通過最近鄰法緊束縛模型得到，石墨烯的每一單位晶格有 2 個碳原子，導致其在每個布里淵區有兩個等價錐形相交點。

　　

　　△石墨烯能帶結構（圖片來源：維基百科）

　　空穴（又稱電洞，指共價鍵上流失一個電子，最后在共價鍵上留下空位的現象。）在這些相交點附近的物理行為與狄拉克方程所描述的相對論粒子相似，所以石墨烯中的電子和空穴被稱為「狄拉克費米子」，相交點稱為「狄拉克點」。

　　在狄拉克點附近石墨烯的能量為零，故從這種意義上說它的帶隙為零。

　　

　　△圖片來源：

　　https://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/ic/index_03_02_03.html

　　然而就是因為石墨烯的零能帶隙,( 零帶隙是指禁帶寬度為零。帶隙是導帶的最低點和價帶的最高點的能量之差，帶隙越大，電子由價帶被激發到導帶越難，本征載流子濃度就越低，電導率也就越低。)，所以它不是半導體，而屬于金屬性質，半導體材料的帶隙寬度都是大于零的，其實石墨烯在未來微電子學領域有極大的應用前景，但是其零帶隙的特點阻礙了石墨烯在半導體領域的應用。那么做電子器件還是有一定的困難。目前，科學家們正在克服這些零能帶造成的問題。

　　石墨烯優越的性能從哪里來？

　　這個問題我們可以擴展為一個材料優質的性能從哪里來？

　　我認為有兩個方面：第一，從它是什么元素，第二，這些元素是怎么排列的。

　　舉個例子：比如同樣是碳，為什么鉆石、石墨值差距這么大？

　　

　　△金剛石結（圖片來源：

　　http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpdt/201901/t20190116_5230500.html）

　　鉆石是地球上已知最堅硬的物質，它的顏值很高，價格很貴，它透明、堅硬、絕緣。相反，石墨是什么？它是黑色的、 松軟的、導電的，兩種材料完全相反，然而它們都是實實在在由碳組成的材料。鉆石中每個碳原子都與其他四個碳原子以化學鍵相互連接，臨近原子間距為 0.154 nm，這個長度稱為化學鍵長。相鄰的化學鍵成 109.5度的夾角，稱為化學鍵角。所有化學鍵的強度都相等。這個結構看起來就像一個巨大的分子。

　　

　　△石墨結構（圖片來源：

　　http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpdt/201901/t20190116_5230500.html）

　　石墨與金剛石是C的兩個同素異形變體。而且石墨結構中有共價鍵、分子鍵等，所以也不遵循最緊密堆積原理。石墨是一個典型的層狀結構，層內每個C與周圍三個C以sp2雜化軌道形成共價鍵，還有一個p軌道沒有參加雜化，這些沒有參加雜化的p軌道以垂直于層是方向平行排列，形成一個大π鍵（相當于金屬鍵），層間還有分子鍵。

　　我們可以看到，在圖中鉆石是一個三維結構，而石墨只是在二維層面有一個很強的化學鍵連接，在層和層之間是一種很弱的化學鍵連接（叫范德華力），這就造成了它們性質的巨大的不同。

　　石墨烯光帆甚至能把地球帶離太陽系石墨烯具備作為優秀的集成電路電子器件的理想性質。前文已經提到其具有高的載子遷移率以及低的噪聲，它被用作在場效應晶體管的溝道。

　　根據2010年1月的一份報告《European collaboration breakthrough in developing graphene》中，對SiC外延生長石墨烯的數量和質量適合大規模生產的集成電路(集成電路)。

　　另外石墨烯電池也具有儲能高，充電快的優點。西班牙的一家工業規模生產石墨烯的公司聯合科爾瓦多大學合作研究出全球首個石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產品的3倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。

　　此外，石墨烯還有很多潛在的應用。比如其獨特的二維結構使它在傳感器領域具有光明的應用前景。巨大的表面積使它對周圍的環境非常敏感。即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。另外，特殊構型的石墨烯在受光后瞬間會產生大電子流，其非常適合用于太空領域的太陽帆（2016年，由著名投資人尤里-米爾納資助，并由斯蒂芬-霍金等人牽頭啟動了一項腦洞大開的太空計劃，該計劃被命名為Starshot計劃。旨在用特種材料做成一個巨大的光帆，然后以光子碰撞能產生恒定動力原理一直對飛船進行加速，最終使其達到光速20%，讓載人飛船只需要21年就能到達距離地球4.24光年的恒星系半人馬座阿爾法星。研究人員還稱：只需一張理想中足夠大的光帆，甚至能把地球帶離太陽系）。

　　參考文獻：

　　[1]European collaboration breakthrough in developing graphene. NPL. 2010-01-19 [2010-02-21].

　　[2]Imaging and Dynamics of Light Atoms and Molecules on Graphene. Nature. 2008, 454: 319. doi:10.1038/nature07094