石墨烯晶体结构，石墨烯的晶格和能带结构

很多朋友对石墨烯晶体结构，石墨烯的晶格和能带结构不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

石墨烯是一种二维碳纳米材料，具有六方蜂窝状晶格，由具有SP杂化轨道的碳原子组成。石墨烯具有优异的光学、电学和力学性能，在材料科学、微纳加工、能源、生物医学和药物输送等领域具有重要的应用前景，被认为是未来的革命性材料。

英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈格姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫通过微机械剥离法成功地将石墨烯从石墨中分离出来，因此他们一起获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯粉末生产的常用方法有机械剥离法、氧化还原法和SiC外延生长法，薄膜生产的方法有化学气相沉积法(CVD)。

石墨烯的结构石墨烯是由六元碳环组成的二维(2D)周期性蜂窝状晶格结构，可以翘曲成零维(0D)富勒烯，卷成一维(1D)碳纳米管(CNT)或堆叠成三维(3D)石墨，因此石墨烯是其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元是有机材料中最稳定的苯六元环，是最理想的二维纳米材料。

理想的石墨烯结构是平面六方晶格，可以看作是一层剥离的石墨分子。每个碳原子都是sp2杂化的，并贡献剩余P轨道中的电子以形成大键。电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以视为构成所有sp2杂化碳质材料的基本单元。

石墨烯的结构非常稳定，碳碳键只有1.42。石墨烯中碳原子之间的连接非常灵活。当对石墨烯施加外力时，碳原子表面会弯曲变形，使碳原子不必重新排列以适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使得石墨烯具有优异的导热性。

科学家们第一次清晰地拍摄到了单个分子的照片，同时，他们可以看到紧密联系分子结构的原子键。位于瑞士苏黎世的国际商业机器公司(IBM)研究实验室使用一种叫做“非接触式原子力显微镜”的技术来探索一个分子的内部情况，最大限度地减少对分子和原子的研究。该研究可能对石墨烯器件的研究具有重要意义。

石墨烯的能带结构绝对零度时，半导体的价带是满的(完全被电子占据)。当受到光电或热激发时，价带中的部分电子(石墨烯的电子速度高达105m/s，是光速的1/300)越过禁带，进入能量更高的空带。当空带中有电子时，它们就变成了导带。当价带中缺少一个电子时，带正电荷的空位就变成了空穴。

导带中的电子和价带中的空穴统称为电子-空穴对，因此电子和空穴可以自由移动成为自由载流子。它们在外电场的作用下产生定向运动形成宏观电流，分别是电子传导和空穴传导。

石墨烯每个单位晶格有两个碳原子，导致每个布里渊区有两个等效的圆锥交点(和k)，其能量阿波罗矢量在交点附近是线性的。石墨烯的电子能带结构图

e:能量，H:约化普朗克常数，UF:费米速度，1 * 10 ^ 6m/s，Kx，Ky分别是波矢在X轴和Y轴的分量。所以石墨烯中电子和空穴的有效质量为零，所有的电子和空穴都称为狄拉克费米子。交点为丘拉克点，附近能量为零，古代石墨烯的带隙(禁带)为零。

石墨烯独特的载流子特性和无质量狄拉克费米子性质，使其在室温下能够观察到霍尔效应和反常的半整数量子霍尔效应(当电流通过垂直于外磁场的导体时，导体垂直于磁场和电流方向的两端面会产生电位差)。显示了其独特的载流子特性和优异的电学性能。石墨烯的室温载流子迁移率达到15 000 cm 2/s(电子密度10^13cm^2).

石墨烯的晶格结构石墨烯的晶格结构非常稳定，电子在轨道上运动的干扰非常小，因此具有优异的导电性。这种结构导致了石墨烯独特的电子能带结构。第一布里渊区的六个顶点是费米点(也称狄拉克点或K点)，导带和价带关于狄拉克点对称，所以在纯石墨烯中，电子和空穴具有相同的性质。即在狄拉克点附近，电子的能量与波矢成线性色散关系，E=VFP=VFhk。

其中VF为费米速度，约为光速的1/300，k为波矢。因此K点附近的电子受到周围对称晶格势场的影响，载流子的有效静止质量为0，费米速度接近光速，表现出相对论的特性。所以K点附近的电子性质应该用狄拉克方程来描述，而不是薛定谔方程。

石墨烯的载流子迁移率超过20万cm2 * v-1 * s-1，电子在纯石墨烯中的平均自由程为亚微米级，类似于弹道输运，在制造高速器件方面具有诱人的潜力。

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