请简述石墨烯的结构特性和应用前景?
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1-石墨烯的结构
石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化连接形成的单原子层二维晶体，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。每个碳原子除了以σ 键与其他三个碳原子相连之外，剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管。
由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱。这种微观褶皱在横向上的尺度在8-10nm范围内，纵向尺度大概为0.7-1.0nm。这种三维的变化可引起静电的产生，所以使石墨烯单层容易聚集。同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学及光学性质也不同。
除了表面褶皱之外，在实际中石墨烯也不是完美存在的，而是会有各种形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元环，七元环等）、空洞、边缘、裂纹、杂原子等。这些缺陷会影响石墨烯的本征性能，如电学性能、力学性能等。但是通过一些人为的方法，如高能射线照射，化学处理等引入缺陷，却能有意的改变石墨烯的本征性能，从而制备出不同性能要求的石墨烯器件。
2-石墨烯的性质
石墨烯独特的单原子层结构，决定了其拥有许多优异的物理性质。如前所述，石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的π电子，这些电子可形成与平面垂直的π轨道，π电子可在这种长程π轨道中自由移动，从而赋予了石墨烯出色的导电性能。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V.s)，相当于光速的1/300，在特定条件下，如液氦的温度下，更是可以达到25000cm2/(V.s)，远远超过其他半导体材料，并且电子在晶格中的移动是无障碍的，不会发生散射，使其具有优良的电子传输性质。同时，石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质，比如室温量子霍尔效应等。
由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ键，因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。据哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试单层石墨烯的力学性能，发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa，断裂强度更是达到了130GPa，比最好的钢铁还要高100倍。
石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低，因此石墨烯的传热主要是靠声子的传递，而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m.K)，优于碳纳米管，更是比一些常见金属，如金银铜等高10倍以上。
除了优异的传导性能及力学性能外，石墨烯还具有一些其他新奇的性质。由于石墨烯边缘及缺陷处有孤对电子，石墨烯具有铁磁性等磁性能。石墨烯单原子层的特殊结构，使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g。石墨烯也具备独特的光学性能，单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使得石墨烯成为最具潜力最引人畅想的材料，可以在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。
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科学认识石墨烯的应用价值及未来前景
