中國粉體網(wǎng)訊  石墨烯是一種二維晶體，由碳原子按照六邊形進行排布，相互連接，形成一個碳分子，其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定；隨著所連接的碳原子數(shù)量不斷增多，這個二維的碳分子平面不斷擴大，分子也不斷變大。單層石墨烯只有一個碳原子的厚度，即0.335納米，是已知的最薄的一種材料。

石墨烯的晶格缺陷

理想的石墨烯材料具有高透光率、超高載流子遷移率、高比表面積、極高的層內(nèi)熱導(dǎo)率和極高的楊氏模量等。但在實際制備過程中，幾乎無法獲得完美結(jié)構(gòu)的石墨烯而不可避免地含有各種晶格缺陷，如點缺陷、雙空位缺陷、三角形空位缺陷、Stone-Wales 拓撲缺陷和線缺陷等，如圖所示。

• 點缺陷包括由于晶格碳原子離開格點位置而形成的單空位缺陷或由外來雜質(zhì)原子替代碳原子而形成的摻雜缺陷兩種。

  
  

• 雙空位缺陷是由于單空位缺陷的融合或相鄰兩個晶格碳原子的缺失而產(chǎn)生的，只需提供18 ～20 eV 的能量即可使碳原子離開格點位置而移到表面。

  
  

• Stone-Wales 拓撲缺陷，又稱五邊形-七邊形缺陷，是石墨烯中典型的拓撲缺陷之一，其形成原因是 C-C 鍵圍繞其中點旋轉(zhuǎn) 90°后而導(dǎo)致局部出現(xiàn)五邊形環(huán)和七邊形環(huán)的結(jié)構(gòu)。

  
  

• 線缺陷是由于在石墨烯片層中具有不同取向的晶區(qū)之間的分界線而導(dǎo)致的。

晶格缺陷對材料性能的影響

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)。

缺點：

晶格缺陷由于破壞了石墨烯晶體的完美對稱結(jié)構(gòu)，對石墨烯性能的負面影響主要體現(xiàn)在導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及機械性能方面。如幾乎所有晶格缺陷均會強烈影響石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和電子輸運性；三角形缺陷會導(dǎo)致石墨烯熱傳導(dǎo)性能的下降；位錯等缺陷的存在，會使材料易于斷裂，因為相應(yīng)的抗拉強度可降低至完美晶體的幾十分之一。

優(yōu)點：

石墨烯中的晶格缺陷雖然打破了其完美的晶體結(jié)構(gòu)，但明顯改善了石墨烯的半導(dǎo)體性能、離子擴散系數(shù)、分散性及反應(yīng)活性，拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。如空位缺陷所產(chǎn)生的空隙為離子的傳輸開辟了通道，增加了石墨烯對離子和氣體小分子的通透性，改善了離子擴散系數(shù)和反應(yīng)活性，空位和摻雜缺陷則增強了吸附原子與石墨烯之間的相互作用。

晶格缺陷對石墨烯性能的影響有利也有弊。因此，目前對石墨烯的研究不僅集中在制備完美無缺的石墨烯材料上，制備晶格缺陷可控的石墨烯材料，并充分發(fā)揮石墨烯中晶格缺陷的優(yōu)勢也是將來石墨烯研究領(lǐng)域中一個主要的研究方向。