石墨烯是什么
1. 石墨烯的发现
1.1 发现历程
20世纪80年代，英国物理学家Novoselov和他的同事使用普通的胶带将石墨层一层层剥离，最终发现只留下了一个单层的石墨烯。2004年，他们发表了这一发现，并因此获得了2010年物理学诺贝尔奖。这一发现，引发了全球学术界的极大兴趣。
1.2 组成结构
石墨烯由一个由碳原子组成的六角晶格构成，每个碳原子通过三个键与周围的三个碳原子相连。这种结构使得石墨烯的强度和弹性都非常高。
2. 石墨烯的物理、化学性质
2.1 物理性质
由于石墨烯的单层结构和特殊的组成结构，使得它具有许多优良的物理性质，其中最重要的是它的高导电性、高热导率和高机械强度。
导电性：石墨烯的电子运动是二维的，并且在石墨烯中，电子的传导方式是与碳原子的杂化轨道有关的π电子传导，因此它具有很高的导电性，甚至比铜还要好。
热导率：石墨烯的热传导性能也十分出众，它在室温下的热导率是铜的1300倍，这意味着在石墨烯制成的电子设备中，热不会成为电子元件失效的主因
机械强度：石墨烯的机械强度也非常高，它的断裂韧性是钢的200倍，这种强度意味着它可以用于制作非常轻巧、坚固的材料。
2.2 化学性质
石墨烯具有许多特殊的化学性质，最引人注目的是它的化学稳定性。
化学稳定性：石墨烯由于具有稳定的碳-碳键和二维的结构，所以它具有很高的化学稳定性，能够抵抗化学腐蚀、氧化、热和辐射的侵蚀，这对于石墨烯在各种应用领域中的应用具有非常重要的意义。
3. 石墨烯的电学性质
3.1 电子输运
由于石墨烯的晶格结构与传统材料不同，它的载流子表现出了独特的行为。在石墨烯中，载流子的质量为0，同时在费米能级附近，载流子的能量与动量近乎线性关系，被称为“相对论自由电子”。
Dirac电子：由于石墨烯中载流子表现出了相对论性质，因此其运动受到特殊的Lorentz收缩和电子的spin自旋的影响，这些特殊的物理性质是其他材料所不具备的。
3.2 能带结构
石墨烯的可见光透过度高，其能带结构可以在可见光到太阳能的除了紫外线以外的各个波长范围内吸收和发射光子。这意味着石墨烯可以在太阳电池和照明等领域得到广泛的应用。
4. 石墨烯在应用领域中的应用
4.1 生物医学领域
石墨烯在生物医学领域中具有广泛的应用前景，它可以制备出具有良好生物相容性的纳米载药系统、可靠的传感器、高灵敏的电极等。
4.2 电子器件
由于石墨烯结构的优良特性，它具有极高的载流子迁移率和电导率，可以应用于各类电子器件的制备，例如晶体管、电容器、光伏电池、柔性 OLED 显示屏等。
4.3 传感领域
石墨烯具有特异的电学、光学、磁学等性质，使得其在传感领域中表现出非常良好的性能，如生物传感、环境污染监测、气体检测等。
总结
石墨烯作为一种新兴的材料，具有良好的特性和广泛的应用前景，在材料科学领域中受到了全球学术界的广泛关注。本文从石墨烯的发现历程、组成结构、物理、化学、电学性质以及应用领域等方面介绍了这种神奇材料的特点。随着石墨烯的不断研究、探索和应用，相信它一定会给人们带来更多的惊喜和帮助。
