石墨烯和石墨有什么区别？

碳是一种非凡的化学元素，位于化学元素周期表第二周期第十四族中的第 6 位。自古以来，人们就知道金刚石和石墨，这是迄今为止发现的该元素九种以上的同素异形变体中的两种。顺便说一句，与其他物质相比，现代科学已知的同素异形体修饰数量最多的是碳。

同素异形体是指同一化学元素在自然界中可能以两种或两种以上的单质形式存在，即所谓的同素异形体或同素异形体变体，从而导致这些物质在结构和性质上存在差异。所以，碳有8种这样的基本形式：金刚石、石墨、方石、富勒烯（C60、C540和C70）、无定形碳和单壁纳米管。

在这些形式的碳中，有完全不同的性质和特性：软的和硬的、透明的和不透明的、便宜的和昂贵的物质。然而，让我们比较一下两种相似的碳变体——石墨和石墨烯。

我们从学校开始就熟悉涂鸦。普通铅笔的铅芯就是石墨。它摸起来非常柔软、光滑和油腻，晶体是板状的，原子层一层一层地放置，因此当摩擦时，例如在纸上，石墨层状晶体结构的单个薄片很容易剥落, 在纸上留下特征性的黑色痕迹。

石墨导电性好，其电阻平均为11 Ohm * mm2 / m，但由于其晶体的天然各向异性，石墨的电导率并不相同。因此，沿晶体平面的电导率比这些平面的电导率高数百倍。石墨的密度为2.08至2.23克/立方厘米。

在自然界中，石墨是在高温下在火成岩和火山岩、矽卡岩和伟晶岩中形成的。它发生在石英脉和热液中温多金属矿床中的矿物中。广泛分布于变质岩中。

因此，自1907年以来，世界上最大的天然鳞片石墨储量就在马达加斯加岛上开发出来。该岛由前寒武纪变质岩组成，这些岩石在山区地形中升至地表，测高标记为 4,000-4,600 英尺。石墨产于 400 英里长的带中，在该岛中心东部的山脉中占主导地位。

与石墨不同，石墨烯没有块状晶体结构；它具有二维六方晶格，只有一个原子厚。在这种同素异形体修饰中，碳根本不会自然产生，但理论上可以通过人工获得。我们可以说，故意从石墨的多层块状晶体结构中分离出来的平面就是这种石墨烯。

由于这种形式的物质不稳定，科学家们最初无法获得简单二维薄膜形式的石墨烯。然而，在氧化硅衬底上（由于与介电层的键合）仍然有可能获得一个原子厚的石墨烯：2004 年，俄罗斯科学家安德烈·盖姆和曼彻斯特大学的康斯坦丁·诺沃肖洛夫在《科学》杂志上发表了一篇报告以这种方式获得石墨烯。

即使在今天，这种获得石墨烯用于研究的简单方法，例如使用胶带（和类似方法）从大块石墨晶体中机械剥离碳单层，也是合理的。

研究人员相信，由于他们的进步，很快就会出现一类新的基于石墨烯的纳米电子学，其中场效应晶体管的厚度将小于 10 纳米。事实上，石墨烯中的电子迁移率非常高 (10,000 cm2 / V * s)，它似乎是当今最有希望替代传统硅的材料。

高载流子迁移率是电子和空穴对施加电场的影响做出极快响应的能力，这对于场效应晶体管（现代电子产品的基本操作单元）极为重要。

在制造各种生物和化学传感器以及用于光伏设备和触摸屏的薄膜方面也有前景。尽管如此，石墨烯的热导率仍比铜高 10 倍，而这一标准对于电子产品始终非常重要。