中國粉體網(wǎng)訊  在早期對于碳納米管和石墨結(jié)構(gòu)的研究中，研究者們多次發(fā)現(xiàn)了碳納米管和石墨的結(jié)構(gòu)缺陷，由此不難想象，在原子水平上，石墨烯也應(yīng)該存在缺陷。實際上，真實存在的石墨烯并不是一張絕對平整的由碳六元環(huán)構(gòu)成的大分子。研究表明，石墨烯本身具有一定的褶皺，并不絕對平整；而且，由于石墨烯并不是天然條件下存在的產(chǎn)物，人工制備的石墨烯基于各種制備方法的限制，其結(jié)構(gòu)中存在各種缺陷，這些缺陷影響著石墨烯的物理化學(xué)性質(zhì)，因此很多研究者使用透射電子顯微鏡（TEM）和掃描隧道顯微鏡（STM）在原子分辨率水平下觀察研究石墨烯缺陷。

石墨烯缺陷，可以分為兩大類：

第一類缺陷為本征缺陷，由石墨烯上非 sp2軌道雜化的碳原子組成，這些碳原子軌道雜化形式的變化，通常是因為本身所在的，或者周圍的碳六元環(huán)中缺少或者多出碳原子所導(dǎo)致，因此這種石墨烯片在原子分辨率下通�？梢杂^察到明顯的非六元碳環(huán)甚至點域或者線域的空洞； 

第二類缺陷為外引入缺陷，也可以稱之為不純?nèi)毕�，這些缺陷是由與石墨烯碳原子共價結(jié)合的非碳原子導(dǎo)致的，由于原子種類的不同，外原子缺陷如 N、O 等強烈著影響著石墨烯上的電荷分布和性質(zhì)。 

另外，基于以前人們對于晶體缺陷遷移的認(rèn)識，特別是碳納米管在外能量干擾下結(jié)構(gòu)重構(gòu)的研究，可以合理的認(rèn)為，石墨烯上的缺陷并不總是靜止在某一位置，其沿石墨烯可以做移動，只是這種移動程度可能很低，無法觀測到。

石墨烯本征缺陷

具體來說可以分為五類：點缺陷，單空穴缺陷，多重空穴缺陷，線缺陷和面外碳原子引入缺陷。

點缺陷：石墨烯的點缺陷是由于 C-C 鍵的旋轉(zhuǎn)而形成的，因此該缺陷的形成并沒有使石墨烯分子內(nèi)發(fā)生碳原子的引入或者移除，也不會產(chǎn)生具有懸鍵的碳原子。

單空穴缺陷：如果在連續(xù)排列的碳六元環(huán)中丟失一個碳原子，石墨烯上就會形成單空穴缺陷。顯然，一個碳原子的丟失必然造成與本來與其相連的三個共價鍵斷裂，其結(jié)果是形成了三個懸鍵。

多重空穴缺陷：單空穴缺陷的基礎(chǔ)上，如果再丟失一個碳原子，就會產(chǎn)生多重空穴缺陷。

線缺陷：在使用化學(xué)氣相沉積方法制備石墨烯的過程中，石墨烯會在金屬表面的不同位置開始生長，這樣生長的隨機性導(dǎo)致不同位置生長的石墨烯會有不同的二維空間走向，當(dāng)這些石墨烯生長到一定大小后，開始發(fā)生交叉融合，融合的過程中由于起始晶取向的不同開始出現(xiàn)缺陷，這種缺陷通常呈現(xiàn)線型

面外碳原子引入缺陷：單空穴和多重空穴缺陷形成時產(chǎn)生的丟失碳原子，并不一定完全脫離石墨烯，很多時候，這些碳原子在脫離原始碳六元環(huán)后，形成了離域原子而在石墨烯表面遷移。當(dāng)其遷移至石墨烯某一位置時，會形成新的鍵。

石墨烯外引入缺陷

具體又可以分為兩類：一類為面外雜原子引入缺陷，一類為面內(nèi)雜原子取代缺陷。以下將分述此兩類缺陷。

面外雜原子引入缺陷：在化學(xué)氣相沉積或者強氧化的條件下，由于過程中使用了金屬元素或者含氧的氧化劑，石墨烯表面不可避免引入了金屬原子或者含氧官能團等。這些雜原子以強的化學(xué)鍵或者弱的范德華力與石墨烯中碳原子發(fā)生鍵合，構(gòu)成了面外雜原子引入缺陷。

面內(nèi)雜原子取代缺陷：一些原子如氮、硼等，可以形成三個化學(xué)鍵，因此可以取代石墨烯中碳原子的位置，這些雜原子構(gòu)成了石墨烯面內(nèi)雜原子取代缺陷。

石墨烯缺陷的形成原因

總結(jié)目前的研究，具體可以分為三種情況：粒子束轟擊引發(fā)、化學(xué)處理引發(fā)及晶生長缺陷。

粒子束轟擊引發(fā)：具有合適能量的電子束轟擊石墨烯表面時，石墨烯上碳原子由于能量作用離開碳六元環(huán)，這些碳原子或者完全離開石墨烯表面，或者在表面進行遷移，彌補或者形成新的缺陷。不難理解，既然電子束可以使碳原子脫離其在石墨烯中的原始位置，也可以作用于造成石墨烯外引入缺陷的雜原子上，從而影響石墨烯雜原子缺陷。

化學(xué)處理引發(fā)：制備石墨烯或者對石墨烯進行改性，有些時候會使用含有氧、氮、硼等元素的化學(xué)試劑或者氣氛處理石墨烯，這些處理不可避免的向石墨烯中引入了雜原子缺陷。

晶生長缺陷：石墨烯的制備實際上是通過碳原子在金屬表面進行沉積組裝完成的，由于沉積的隨機性，不同區(qū)域生長的石墨烯無法保證具有統(tǒng)一的晶延伸取向，這樣的結(jié)果是：當(dāng)各區(qū)域石墨烯生長到一定大小開始出現(xiàn)交叉并域時，晶取向的不同將導(dǎo)致石墨烯線缺陷的形成，這種缺陷長度較長，使制備出的石墨烯無法在超大尺度上成為均勻的無缺陷二維晶體。