第pan>章緒論 1.pan>石墨烯的發現 石墨烯由單層碳原子緊裹的二維（2D）蜂窩晶格中的物質構成，是其他所有維度碳材料的基本（見圖1.pan>）[1pan>。它可裹成零維（0D）的富勒烯，卷成一維（1D）的納米管，也可以堆疊成三維（3D）的石墨。雖然石墨烯是在2004年發現的，但理論上，人們研究石墨烯或“2D石墨”已經有70餘年了[2-4]。在此之前，基於石墨烯的理論模型早已蓬勃發展，且被廣泛用於描述各種碳基材料的性能，還被作為（2+pan>）維量子電動力學的凝聚態類似物[5-7]。另外，盡管石墨烯是3D材料的重要組成部分，但一直被當作一種“學術性”的材料[6]存在，人們認為它不是真實存在的，且在形成彎曲結構（如煤煙、富勒烯和納米管）方面不穩定。直到這個古老的2D模型意外成為了現實[&.9]，是後續實驗[10.]直接證實它的載流子是一種無質量的狄拉克費米子。從此，石墨烯的“淘金熱”正式開始。 80多年前，Landau和Peierls認為嚴格意義上的2D晶體在熱力學上是不穩定的，在自然界不可能存在[12-14]。他們的理論指出，低維晶格中熱波動的發散貢獻將導致原子產生位移，超過任何有限溫度下原子間的距離。這個理論後來被Mermin擴展[15]，並得到了一繫列實驗觀察的“有力支撐”。事實上，薄膜的熔化溫度隨厚度的減小而迅速降低，並且通常在幾十個原子層的厚度時已經變得不穩定（分離成島或分解）[16.7]。因此，單原子層一直作為三維結構的一個組成部分，通常是外延生長在具有匹配晶格的單晶的頂部。而早期制造石墨烯的嘗試主要集中在化學剝離上。石墨塊需要層[18]纔能剝離，這樣通過插層，石墨面會被層間原子或分子分開。例如，在某些情況下，大分子是可以插入原面中間的，使兩邊分離，由此產生的化合物可以看作嵌入在3D矩陣中的孤立的石墨烯層，但這通常會產生新的3D材料。人們通常可以在化學反應中去除插層分子，從而獲得含有堆疊和卷曲的石墨烯薄片層，如石墨污泥（Graphitic Sludge)[19-21]。但由於其不可控的特性，石墨污泥沒有引起太多關注。早期也有嘗試生長石墨烯的，如用生長碳納米管的方法生長石墨烯，但隻能產生厚度超過100層的石墨薄膜[2]，一直無法制備出石墨烯來。因此，大多數物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。2D單原子層隻能作為3D結構的組成部分，脫離3D結構的2D材料是不存在的。 直到2004年，英國曼徹斯特大學的兩位俄裔科學家安德烈海姆（A.K.Geim）和康丁（K.S.Novoselov）在實驗中發現了石墨烯[8]和其他獨立存在的二維原子晶體（如單層氮化硼和半層BSCCO）[9]，這一“共識”纔被打破。這些二維晶體可以在非晶基底[9-11]以懸浮液[2]或懸浮膜[724]的形式獲得。 更重要的是，研究人員發現實驗獲得的2D晶體不僅連續，而且表現出高的晶體質量[24]。尤其是石墨烯的表現為明顯，載流子可以穿越數千個原子間距而不產生散射[8-1]。事實上，可以認為獲得的2D晶體是在亞穩態淬滅的，因為它們是從3D材料中提取的。而它們的小尺（<1mm）和強大的原子間鍵保證了即使在高溫下熱波動也不會導致產生位錯或其他晶體缺陷[14.5]。提取出的2D晶體在3D空間中通過輕微的揉皺，本質上將變得更穩定[24:.35]。這種3D彎曲（橫向標度=10nm）會增加彈性能量，並熱振動（在2D空間中異常大），而高於一定溫度時熱振動會自由能小化[23]。 1.2石墨烯的特性簡介 世紀的硅”，其能譜與…… | 
