什麼是石墨烯
碳原子以sp²鍵排成蜂巢狀的單原子層。能隙幾乎為零，電子遷移率高，雙面的理論比表面積約為2630 m²/g。
日文名稱: グラフェン
「石墨烯」出現在1領域的3道練習題中（奈米材料等）。
這個名詞所屬的領域: 奈米材料
發現與結構
石墨烯是從石墨只剝下1層的碳單原子層。2004年Geim與Novoselov以膠帶剝離石墨的方法取出單層並量測其電性，兩人於2010年獲得諾貝爾物理學獎。碳原子形成正六角形的網，C–C鍵長約0.142 nm，晶格常數為 a = √3 × 0.142 ≈ 0.246 nm。每個原子所占面積約0.0262 nm²，由此可算出面密度約0.76 mg/m²，雙面合計的比表面積約2630 m²/g。
電子與力學性質
石墨烯的導電帶與價電帶在K點呈兩個圓錐頂點相接的形狀，其附近電子能量與波數成正比。電子表現得像沒有質量的粒子，乾淨的試樣即使在室溫下遷移率也遠超過10000 cm²/(V·s)。力學上，由以探針壓懸空單層的實驗，估計楊氏模數約為1 TPa，屬於已知材料中最剛硬的一類。每1層只吸收約2.3%的光，因此也是透明導電膜的候選。
與石墨、氧化石墨烯的差異
石墨烯疊成許多層就是石墨，層間距離約0.335 nm。層數增加時，層間交互作用使能帶形狀改變，一般認為約10層左右就幾乎成為石墨的性質。因此即使是稱為「石墨烯」的市售品，內容也從單層、數層到數十層的薄片都有。將石墨氧化後剝離的氧化石墨烯（GO）含有許多含氧官能基，為絕緣性且容易分散於水中；將其還原的還原氧化石墨烯（rGO）缺陷也多，導電性不及單層石墨烯。
製法與用途
研究用的高品質單層可用膠帶機械剝離製作，但面積小，不適合量產。大面積的膜廣泛使用在銅箔上以高溫分解甲烷等的CVD成長，再利用高分子支撐膜轉印到其他基板的方法。也有將碳化矽高溫加熱而使矽脫離的方法。粉末狀的多層薄片以石墨的化學剝離或液中超音波處理製作，用於電池的導電助劑、樹脂添加劑、散熱材料等。討論性質時，確認是以何種方法製作、幾層的材料非常重要。
練習石墨烯的題目
單壁奈米碳管的電子性質，由表示石墨烯捲繞方向的掌性指數(n, m)決定，n − m 為3的倍數時呈金屬性，否則呈半導體性。下列何者呈金屬性？
- A(6, 6)的扶手椅型
- B(10, 0)的鋸齒型
- C(7, 5)的掌性型
單壁奈米碳管的直徑，以石墨烯的晶格常數 a = 0.246 nm 表示為 d = a√(n² + nm + m²)/π。掌性指數(10, 10)的奈米碳管直徑最接近下列何者？
- A約0.78 nm
- B約1.36 nm
- C約4.26 nm
查看答案與解析
正確答案：B. 約1.36 nm
n² + nm + m² = 100 + 100 + 100 = 300，因此 √300 ≈ 17.32。掌性向量的長度（圓周）為 0.246 × 17.32 ≈ 4.26 nm，除以π得直徑 d ≈ 1.36 nm。約4.26 nm 是忘了除以π而把圓周當成直徑的值。約0.78 nm 是以 C–C鍵長 0.142 nm 取代晶格常數 a = 0.246 nm 的值，弄錯了 a = √3 × 0.142 nm 的關係。(10, 10)是扶手椅型，因此呈金屬性。單壁奈米碳管的直徑多為約1〜2 nm。
常見問題
石墨烯的厚度大約多少？
因為是1個原子的層，厚度無法明確決定，但一般把石墨的層間距離約0.335 nm視為1層的厚度。以原子力顯微鏡量測基板上的單層時，由於表面吸附物與和基板間的空隙，常看起來比這更厚。
石墨烯與奈米碳管有何不同？
兩者都是sp²鍵結碳的六角形網，但石墨烯是平坦的2維薄片，奈米碳管則是將其無接縫地捲成圓筒的1維結構。奈米碳管依捲法（掌性指數）可呈金屬性或半導體性，而平坦石墨烯的能隙幾乎為零。
為什麼說石墨烯很強？
因為面內的碳原子以sp²的強共價鍵無間隙地相連。懸空單層的壓入試驗估計楊氏模數約1 TPa、破斷強度超過100 GPa。但這是無缺陷小區域的值，含晶界或缺陷的大面積膜，以及混入樹脂的複合材料則低得多。
解析中的「石墨烯」
單壁奈米碳管是將1片石墨烯捲成以掌性向量 Ch = na₁ + ma₂ 為圓周的圓筒。
單壁奈米碳管的電子性質，由表示石墨烯捲繞方向的掌性指數(n, m)決定，n − m 為3的倍數時呈金屬性，否則呈半導體…石墨烯是只取出石墨1層的材料，碳原子以sp²混成的強共價鍵形成蜂巢狀的六角形網。
關於石墨烯結構與性質的敘述，下列何者正確？