自從1985年富勒烯和1991年碳納米管的發(fā)現(xiàn)開(kāi)始，有關(guān)炭材料的研究引起了世界各國(guó)研究人員的極大興趣。三維(金剛石，石墨)，一維(碳納米管)，零維(富勒烯)炭的同素異形體都已被發(fā)現(xiàn)。但是真正意義上的二維同素異形體石墨烯的研究卻一直處于理論探索階段。雖然早在1991年科學(xué)家就意識(shí)到碳納米管可以通過(guò)二維的石墨烯卷曲形成，但是直到2004年曼徹斯特大學(xué)Geim所在小組利用膠帶微機(jī)械剝離高定向熱解石墨得到獨(dú)立存在的石墨烯為止，其合成仍被認(rèn)為是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
圖1 ?各種維度炭材料結(jié)構(gòu)示意目
石墨烯是由二維蜂窩狀晶格緊密堆積組成的扁平單層碳原子組成。被認(rèn)為是其他各維炭材料的基本組成單位。石墨烯可以包覆成零維的富勒烯，卷曲成一維的納米管或者堆垛成三維的石墨。理論上，石墨烯已經(jīng)擁有60年的研究歷史，被廣泛用于描述各類(lèi)炭基材料的性質(zhì)。早期研究表明石墨烯可以作為(2+1)維量子電氣力學(xué)性能的凝聚態(tài)物質(zhì)的一種理論模型。另一方面，雖然作為三維材料整體中的一部分，石墨烯一直被認(rèn)為無(wú)法作為自由態(tài)所存在，被視作為一種理論材料，作為富勒烯的原子球殼和納米管卷曲結(jié)構(gòu)的基本單元。2004年獨(dú)立存在的石墨烯在實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)時(shí)，這種古老的理論模型終于得到實(shí)體驗(yàn)證。隨后的實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了石墨烯電荷載體是無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。因此，石墨烯的研究開(kāi)始興起。隨后，石墨烯的本征結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)研究以及在復(fù)合材料，電子器件，傳感囂，鋰離子電池負(fù)極材料，光電轉(zhuǎn)換材料，超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用研究逐漸興起。
圖2 ?石墨烯與其他炭材料黃系的示意圖
單層石墨烯是單原子層緊密堆積的二維晶體結(jié)構(gòu)，其中碳原子以六元環(huán)形式周期性排列于石墨烯平面內(nèi)。每個(gè)碳原子通過(guò)。鍵與臨近的三個(gè)碳原子相連，S，Px和Py三個(gè)雜化軌道形成強(qiáng)的麩價(jià)鍵臺(tái)，組成sp2雜化結(jié)構(gòu)，具有120°的鍵角，賦予石墨烯極高的力學(xué)性能。剩余的Pz軌道的π電子在與平面垂直的方向形成π軌道，此π電子可以在石墨烯晶體平面內(nèi)自由移動(dòng)，從而使得石墨烯具有良好的導(dǎo)電性。
但是，眾所周知，二維晶體在熱學(xué)上不穩(wěn)定，發(fā)散的熱學(xué)波動(dòng)起伏破壞了長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，并且導(dǎo)致石墨烯在較低溫度下即發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的融解。透射電鏡觀察及電子衍射分析也表明單層石墨烯并不是完全平整的，而是呈現(xiàn)出本征的微
觀的不平整．在平面方向發(fā)生角度彎曲。掃描隧道顯微鏡觀察表明納米級(jí)別的裙皺出現(xiàn)在單層石墨烯表面及邊緣。這種摺皺起伏表現(xiàn)在垂直方向發(fā)生±0.5nm的變化，而在側(cè)邊的變化超過(guò)10nm。這種三維方向的起伏變化可以導(dǎo)致靜電的產(chǎn)生。從而使得石墨烯在宏觀易于聚集，很難以單片層存在。
