單層石墨烯為單一碳原子層所組成的二維平面蜂巢狀石墨,各碳原子之間的sp2共價鍵造就成世上最薄卻最堅硬的材料(斷裂強度約為鋼的200倍),它幾乎是完全透明的,只吸收2.3 %的光;熱傳導系數(shù)高達5300 W/m.K,高于碳納米管和金剛石;電阻率只約0.96×10-6 Ω.cm,低于銅和銀,為目前世上電阻率最小的材料;石墨烯具有相當大的比表面積(2630 m2/g)。石墨烯的嶄新特性,是在沒有任何摻雜的情況下,費米能級位于導帶與價帶間連接的點,在這個點上的電子有效質(zhì)量等于零,載子表現(xiàn)為零質(zhì)量之迪拉克費米子,具有極優(yōu)異的載子傳導特性,可承載108A/cm2的電流密度,以及高達200,000 cm2/V.s的載子遷移率(高于碳納米管和硅晶體),速度是光速的1/300;在沒有載子傳輸?shù)那闆r下,石墨烯仍有一個最小的導電率σ=e2/h,石墨烯的電阻值會隨著外加垂值電場的變化而改變,稱為雙極場效應(yīng);不遵守量子力學中的波恩-奧本海姆近似,并且能夠在常溫下觀察到的量子霍爾效應(yīng)。它的室溫霍爾效應(yīng)使原有的溫度范圍擴大了10倍,顯示了獨特的載流子特性和優(yōu)異的電學質(zhì)量。石墨烯獨特的電子結(jié)構(gòu)還為粒子物理中不易觀察到的相對論量子電動力學效應(yīng)的驗證提供了更為方便的手段。
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