第1章　石墨烯的基础知识

耿德超

中国科学院化学研究所

纳米（nm），它与米（m）、厘米（cm）、毫米（mm）一样，是几何大小的度量单位，1nm=10^-9m，大概等于4～5个原子直线排列起来的长度。著名物理学家、诺贝尔奖获得者Richard P.Feynman最早提出了在纳米尺度上进行科学研究的可能性与设想。事件起源于1959年加州理工学院物理学年会上Feynman的一次富有想象力的演说。他在那次题为《底部还有很大空间》（“There’s plenty of room at the bottom”）的演说中指出，“如果我们能按照意愿在微观尺度操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？”在这次著名的演讲中，他指出未来世界将是纳米技术发展的时代，纳米技术必将彻底改变人类的生活。Feynman的设想点燃了纳米科技之火，五十多年后的今天，人们在纳米科技方面取得了许多突破性的重大成果。

作为纳米材料大家庭中的重要一员，石墨烯是世界上首次被成功制备的二维纳米材料。严格意义上讲，石墨烯是碳原子基于sp²杂化组成的六角蜂巢状结构，仅有一个原子层厚。它是碳家族中继富勒烯和碳纳米管之后一种碳的新型同素异形体。在此之前，碳家族成员中从零维的富勒烯到一维的碳纳米管再到三维的金刚石、石墨均已发现，唯独二维结构的碳晶体一直未被发现，石墨烯的出现正好填补了这个空白。

作为一种纯粹由碳骨架构成的完美二维原子晶体，石墨烯自2004年被成功剥离以来^[1]，因其独特的结构和优异的性能在过去十多年间引起了科学界的广泛关注，同时也经历了长足的发展。英国曼彻斯特大学的两位科学家Andre K.Geim和Konstantin S.Novoselov也因在石墨烯方面的开创性工作获得了2010年诺贝尔物理学奖。在当年的诺贝尔颁奖致辞中，获奖者Andre K.Geim作了题为“Random walk to graphene”的报告^[2,3]，该报告细致回顾了石墨烯这种新型材料的发现历程，认可了前人对薄层石墨的早期研究工作。