石墨烯層包含了面內(nèi)σ鍵和面外π鍵。σ鍵使石墨烯具有電子傳導(dǎo)性并使石墨烯層之間產(chǎn)生了較弱的相互作用。共價(jià)σ鍵形成了六邊形結(jié)構(gòu)和c軸面的剛性主鏈，即π鍵控制著不同的石墨烯層之間的關(guān)聯(lián)。它展示了一個(gè)面上的3個(gè)σ鍵／原子以及垂直于σ鍵／原子面的π軌道。

廢話不多說(shuō)，我們來(lái)看看石墨烯這些的物理性質(zhì)怎么得到的？

接著，我們來(lái)深入探討其中的奧妙。

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導(dǎo)電性

石墨烯新穎的電子性質(zhì)在于它可以維持巨大的電流。石墨烯中的π鍵使石墨烯具有電子傳導(dǎo)性，并使石墨烯層之間產(chǎn)生較弱的相互作用。石墨烯中的載流子可用狄拉克方程而不用薛定諤方程來(lái)描述。由于蜂窩晶體中有兩個(gè)等價(jià)的碳亞晶格，錐狀的價(jià)帶和導(dǎo)帶相交于費(fèi)米能級(jí)處布里淵區(qū)的K和K0點(diǎn)。這些無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子顯示出許多優(yōu)越的特性。石墨烯是零帶隙的二維半導(dǎo)體材料，它清晰地顯示出雙極電場(chǎng)效應(yīng)、準(zhǔn)粒子，和較長(zhǎng)的平均自由程（微米量級(jí)的）。

此外，二維中狄拉克能量色散意味著石墨烯是一種零帶隙的半導(dǎo)體材料，當(dāng)接近費(fèi)米能級(jí)處時(shí)其態(tài)密度成線性消失。石墨烯傳導(dǎo)時(shí)其電子或空穴濃度高達(dá)10E13cm-2。它顯示出杰出的載流子遷移率約為200,000cm2╱V.s。如此高的遷移率是因?yàn)橥昝赖氖┓涓C狀晶格使電子能夠十分順利地通過(guò)，能夠控制其帶隙。就像半導(dǎo)體一樣，人們可以控制和調(diào)節(jié)電子運(yùn)動(dòng)以產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果。換言之，除非能夠提供能量來(lái)加強(qiáng)電子穿越間隙，即在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的間隙，否則石墨烯不可用以傳導(dǎo)。

2

導(dǎo)熱性

石墨烯的近室溫導(dǎo)熱系數(shù)在（4.84±0.44）×10E3和（5.30±0.48）×10E3W╱m.K之間（Balandinetal.,2008）。化學(xué)氣相沉積制備的石墨烯顯示出較低值（≈2500W╱mK）（Caietal.,2010）。

它被認(rèn)為具有一定的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，即AA或AB型；石墨烯的層數(shù)也對(duì)其熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響。由于石墨烯的高熱導(dǎo)性（由于其強(qiáng)烈的CAC共價(jià)鍵和聲子散射，無(wú)缺陷的純石墨烯單層在室溫下導(dǎo)熱性可高達(dá)5000W╱mK(Ballandinetal.,2008），它被認(rèn)為是電子設(shè)備中重要的組成部分。

在室溫下，單層純石墨烯的熱導(dǎo)率比先前研究的其他碳的同素異形體的熱導(dǎo)率高很多，例如，碳納米管（多壁碳納米管為3000W╱mK(Kimetal.,2001)，單壁碳納米管為3500W╱mK(Popetal.,2005)。導(dǎo)熱率會(huì)受一些因素的影響，如缺陷，邊緣散射（Nikaetal.,2009）和同位素?fù)诫s（Jiangetal.,2010）。

一般而言，所有這些因素都會(huì)對(duì)導(dǎo)電率產(chǎn)生不利影響，這是因?yàn)閾诫s導(dǎo)致缺陷和聲子模式局部化從而產(chǎn)生了聲子散射。

3

比表面積

石墨烯成六角苯環(huán)結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)0.142納米，面積為0.052nm2。所以面密度為0.77mg╱m2時(shí)，取得比表面積為2630m2╱g。

4

彈性模量

依據(jù)Voigt石墨本構(gòu)方程式：

式中，下標(biāo)1和2為石墨烯面內(nèi)的兩個(gè)主方向，而3為其法向。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到值為C11=1060Gpa、C12=36.5Gpa、C44=4Gpa、C12=180Gpa及C13=15Gpa。由此矩陣中還可以看出，由於碳原子之間SP2鍵極強(qiáng)，石墨面內(nèi)的彈性模量高達(dá)1Tpa。

由于高各向異性程度的原因是石墨烯之間的弱相互作用，這通常被認(rèn)為是范德華力相互作用或π電子間的耦合作用，實(shí)驗(yàn)測(cè)出石墨烯層間的剪切模量為4Gpa，剪切強(qiáng)度為0.08Mpa，明顯小于碳原子間的機(jī)械性能。

下表是石墨烯的機(jī)械特性

石墨烯被氧化后的物理性質(zhì)有顯著的改變。可以看出首先是環(huán)氧基中的C-O-C鍵角發(fā)生彎曲，而氧原子向石墨面內(nèi)方向運(yùn)動(dòng)，由此得到氧化石墨烯其楊氏模量為610Gpa，較石墨烯的1060Gpa還低。

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透光性

石墨烯是透明的，單層石墨烯吸收2.3%πα≈2.3%的白光（97.7%透光率），α為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，其值約為~1/37。堆疊順序和方向影響著石墨烯的光學(xué)特性；因此，雙層石墨烯展現(xiàn)出新穎有趣的光學(xué)特性。

6

化學(xué)穩(wěn)定性及反應(yīng)性

石墨烯的化學(xué)穩(wěn)定性高是由于蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中強(qiáng)大的面內(nèi)sp2雜化鍵的存在。石墨烯的化學(xué)惰性可應(yīng)用于防止金屬和金屬合金的氧化。陳等（Chenetal.,2011）用化學(xué)氣相沉積技術(shù)將石墨烯鍍?cè)阢~和銅╱鎳上，首次演示了石墨烯的抗氧化性能。石墨烯具有的化學(xué)穩(wěn)定性和惰性使它有望提高潛在的光電子器件的耐久性（Blakeetal.,2008）。

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阻隔性

石墨烯片具有高度靈活性。它們可以像氣球一樣被拉伸，甚至在幾種大氣的立壓差下也無(wú)礙。即使是像氦這樣的小原子也無(wú)法滲透它。有些文獻(xiàn)會(huì)使用氧化石墨烯來(lái)阻隔膜，我現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)是因?yàn)槭┓稚⑿暂^差而不得不做的取舍，畢竟石墨烯成膜性高，再者，氧化石墨烯是親水性會(huì)吸水，而石墨烯為疏水性，阻水性更佳