本书详细介绍了石墨烯的结构与基本性质,对石墨烯的发展历史、电学性质、光学性质、热学性质、力学性质、化学性质、磁学性质、带隙、异质结、复合结构及电学可调性等各个方面进行了介绍。
本书可作为高等学校材料相关专业本科高年级学生、研究生的学习用书,以及教师、科技工作者和企业专业技术人员的参考书,尤其对从事石墨烯材料研究的科研人员将具有很好的指导意义。
石墨烯是碳的同素异形体大家族的又一个传奇，也是当今横跨学术界和产业界的超级明星，几乎到了家喻户晓、妇孺皆知的程度。当然，石墨烯是当之无愧的。作为由单层碳原子构成的蜂窝状二维原子晶体材料，石墨烯拥有无与伦比的特性。理论上讲，它是导电性和导热性较好的材料，也是理想的轻质高强材料。正因如此，一经问世便吸引了全球范围的关注。石墨烯有可能创造一个全新的产业，石墨烯产业将成为未来全球高科技产业竞争的高地，这一点已经成为国内外学术界和产业界的共识。
从2004年至今，已经有了近十六年的历史沉淀。无论是石墨烯的基础研究，还是石墨烯材料的产业化实践，人们都有了更多的一手材料，更有可能对石墨烯材料有一个全方位套丛书出的、科学的、理性的认识。总结历史，是为了更好地走向未来。对于新兴的石墨烯产业来说，战略前沿新材料——石墨烯出版工程的出版意义也是不言而喻的。事实上，国内外已经出版了数十部石墨烯相关书籍，其中不乏经典性著作。本丛书的定位有所不同，希望能够全面总结石墨烯相关的知识积累，反映石墨烯领域的国内外前沿研究进展，展示石墨烯新材料的产业化现状与发展前景，尤其希望能够充分体现国人对石墨烯领域的贡献。
本丛书共包括22分册，执笔作者20余位，都是石墨烯领域的重量级学者、专家，因此可以从源头上保障丛书的专业性和科学性。丛书分五大部分，囊括了从石墨烯的基本性质和表征技术，到石墨烯材料的制备方法及其在不同领域的应用，以及石墨烯产品的计量检测标准等全方位的知识总结。同时，两份产业研究报告详细阐述了世界各国的石墨烯产业发展现状和未来发展趋势。除此之外，丛书还为广大石墨烯迷们提供了一份科普读物《有问必答：石墨烯的魅力》，针对广泛征集到的石墨烯相关问题答疑解惑，去伪求真。
本丛书的内容涵盖石墨烯新材料的方方面面，每个分册也相对独立，具有很强的系统性、知识性、专业性和即时性，凝聚着各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的广大读者参考使用。希望丛书的出版对中国的石墨烯研究和中国石墨烯产业的健康发展有所助益。
1. “战略前沿新材料——石墨烯出版工程” “十三五”国家重点出版物出版规划项目/国家出版基金丛书由石墨烯的基本性质与表征技术、石墨烯的制备技术和计量标准、石墨烯的分类应用、石墨烯的发展现状报告、石墨烯科普知识等五大部分共22分册构成，本书为第01分册。
2. 丛书由我国石墨烯研究领域的主要开拓者及我国石墨烯发展的重要推动者、北京大学教授、北京石墨烯研究院创院院长刘忠范院士亲自策划并担任总主编。本书从石墨烯的发展史出发，深入浅出地介绍了石墨烯的结构、特性、制备方法、化学修饰与功能化、微结构调控、组装技术以及组装体在能量转换和储存等方面的应用。
3.全书采用80克雅质纸，彩色印刷，清晰直观地展现了石墨烯的结构、模拟及表征结果。
战略前沿新材料——石墨烯出版工程书目：
01-石墨烯的结构与基本性质
02-石墨烯表征技术
03-石墨烯材料的拉曼光谱研究
04-石墨烯制备技术
05-石墨烯的化学气相沉积生长方法
06-粉体石墨烯材料的制备方法
07-石墨烯的质量技术基础：计量
08-石墨烯电化学储能技术
09-石墨烯超级电容器
10-石墨烯微电子与光电子器件
11-石墨烯透明导电薄膜与柔性光电器件
12-石墨烯膜材料与环保应用
13-石墨烯基传感器件
14-石墨烯宏观材料及其应用
15-石墨烯复合材料
16-石墨烯生物技术
17-石墨烯化学与组装技术
18-功能化石墨烯及其复合材料
19-石墨烯粉体材料：从基础研究到工业应用
20-全球石墨烯产业研究报告
21-中国石墨烯产业研究报告
22-有问必答：石墨烯的魅力
石墨烯是由碳原子构成的二维蜂窝状结构的单原子层晶体材料,它的每个碳原子以共价键形式与邻近的三个碳原子相结合。 石墨烯具有狄拉克锥形的电子能带结构,在狄拉克点附近是独特的线性能量色散关系,属于无质量的狄拉克费米子材料系统。 2004年英国的 AndreGeim 和 KonstantinNovoselov等发现,石墨烯不仅可以稳定地存在于衬底上,而且表现出非常优越的物理性质。Geim 和 Novoselov两位教授也因为在石墨烯的发现和性质研究中做出了突出贡献,从而获得了2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯集诸多优异性质于一身,使其在电子信息、能源、功能材料、生物医药、航空航天、节能环保及其他众多领域都有着非常重要的潜在应用前景。特别是在国家层面上,《 中国制造2025》和《 新材料产业“十三五”发展规划》等都已经将石墨烯列入战略前沿材料之属。 经过近十五年的研究和发展,石墨烯正从实验室慢慢走向社会,逐渐成为一种有可能改变社会的新材料。
“工欲善其事必先利其器”,在我国当前轰轰烈烈的石墨烯研究浪潮中,作者从自身的研究出发编纂了此书,详细介绍了石墨烯材料的结构和基本性质,对石墨烯的发展历史、电学性质、光学性质、热学性质、力学性质、化学性质、磁学性质、带隙、异质结、复合结构及电学可调性等各个方面进行了介绍。 受限于知识的广度和深度以及石墨烯领域研究的快速发展,本书并未能包括石墨烯所有重要的性质。 希望本书的有限篇幅可以帮助初学者快速了解石墨烯是什么,同时可以拓宽读者的研究方向之外的视野。
此作成书过程中,多位从事石墨烯相关研究的科研人员全程参与资料整理、研讨和文字编辑。 具体包括,刘开辉统筹全局,负责本书整体框架、内容设计,并参与了全文内容的撰写;徐小志参与1/6/8/12章;洪浩参与第2章;姚凤蕊参与第3章;马赫参与第4章;程阳参与第5章;张志斌参与第7章;周旭参与第9章;张智宏参与第2章和10章以及吴慕鸿参与11章。 在此,特别感谢各位参与人员的辛苦付出! 由于笔者个人经历和研究水平有限,不妥之处敬请读者批评指正,以便今后修改增补。
编写者
2019年9月
刘开辉，北京大学特聘研究员，国家优秀青年科学基金获得者，北京市杰青基金获得者。2004年本科毕业于北京师范大学物理系。2009年在中国科学院物理研究所获理学博士学位。2009年至2014年在美国加州大学伯克利分校物理系从事博士后工作。2014年被聘为北京大学物理学院研究员，博士生导师。从事界面调控二维材料生长动力学和物性的研究，特别关注发展全新科学技术手段以解决新的科学问题。发展了单个低维材料单元水平的纳米光谱学、原位透射电镜、化学气相沉积结合技术，在理解单个低维材料的生长、结构和性质的直接对应关系，揭露低维凝聚态物理中的新颖规律和材料生长机理中开展了系列工作，在二维单晶材料超快生长设计、米级单晶薄膜材料制造方法、表界面耦合光谱学研究等方向取得了多项研究成果。
第 1 章 石墨烯的结构及其发现历史 001
1.1 石墨烯的发现历史 003
1.1.1 二维材料的热力学不稳定性 004
1.1.2 从薄层石墨到石墨烯的发现 005
1.1.3 石墨烯引起的研究热潮 007
1.2 石墨烯的晶体学结构 011
1.2.1 石墨烯的基本结构 011
1.2.2 石墨烯的 TEM 表征结果 012
1.2.3 石墨烯的 STM 表征结果 013
1.3 石墨烯的电子能带结构 014
1.3.1 石墨烯的紧束缚近似理论 014
1.3.2 石墨烯的 ARPES表征结果 016
1.3.3 石墨烯的 STS表征结果 016
1.4 本章小结 017
第 2 章 石墨烯的电学性质 019
2.1 石墨烯的超高载流子迁移率 021
2.1.1 石墨烯迁移率的测量方法 021
2.1.2 石墨烯中电子传输及散射 023
2.1.3 石墨烯的迁移率 023
2.2 量子霍尔效应 031
2.2.1 霍尔效应和传统量子霍尔效应 031
2.2.2 单层石墨烯中的半整数量子霍尔效应 034
2.2.3 双层石墨烯中的反常量子霍尔效应 037
2.2.4 石墨烯中的分数量子霍尔效应 038
2.3 Klein隧穿 041
2.4 本章小结 043
第 3 章 石墨烯的光学性质 045
3.1 石墨烯的光吸收 047
3.2 石墨烯的非线性光学性质 050
3.3 石墨烯表面等离激元 055
3.3.1 石墨烯表面等离激元的基本原理与性质 056
3.3.2 石墨烯表面等离激元的观测 059
3.3.3 石墨烯表面等离激元的应用 062
3.4 本章小结 064
第 4 章 石墨烯的热学性质 067
4.1 石墨烯的声子色散关系 069
4.2 石墨烯的拉曼光谱 072
4.3 石墨烯热容 078
4.3.1 杜隆 珀替定律 078
4.3.2 二维晶格德拜模型 078
4.4 石墨烯热膨胀 081
4.5 石墨烯热导 083
4.6 石墨烯热管理 086
4.7 本章小结 094
第 5 章 石墨烯的力学性质 095
5.1 石墨烯的力学特性 097
5.1.1 石墨烯的不平整性和热力学稳定性 097
5.1.2 石墨烯的杨氏模量 098
5.1.3 石墨烯的位错和晶界 100
5.1.4 提高石墨烯的力学性能 102
5.2 石墨烯的应变 103
5.2.1 应变对石墨烯带隙的影响 103
5.2.2 应变增强石墨烯中电子 声子耦合 105
5.2.3 应力调控石墨烯表面杂质原子的自组装 106
5.3 石墨烯的摩擦 108
5.4 本章小结 111
第 6 章 石墨烯的化学性质 113
6.1 石墨烯的不可穿透性 115
6.1.1 石墨烯在海水淡化领域的应用 115
6.1.2 石墨烯在处理原油泄漏领域的应用 117
6.1.3 石墨烯在 DNA 领域的应用 119
6.2 石墨烯的化学惰性 121
6.3 石墨烯基的催化特性 125
6.3.1 早期的发展和近期的进展 126
6.3.2 通过掺杂提高催化活性 128
6.3.3 通过分子复合提高催化活性 128
6.3.4 通过控制三维架构提高催化活性 129
6.4 本章小结 130
第 7 章 石墨烯的磁学（自旋） 性质 131
7.1 石墨烯与磁学简述 133
7.1.1 磁学概述 133
7.1.2 磁性 134
7.1.3 磁性分类 134
7.2 在石墨烯中引入磁性的方法 137
7.2.1 点缺陷引入磁性 137
7.2.2 线缺陷对磁性的影响 139
7.2.3 近邻效应引入磁性 139
7.2.4 原子吸附引入磁性 140
7.3 探测石墨烯中的磁性 142
7.4 石墨烯中的热电自旋电压 144
7.5 本章小结 145
第 8 章 石墨烯的带隙 147
8.1 破坏石墨烯的晶格或化学结构打开带隙 150
8.1.1 通过引入掺杂打开带隙 150
8.1.2 通过吸附原子打开带隙 150
8.1.3 通过引入周期性缺陷打开带隙 152
8.1.4 通过引入限制打开带隙 154
8.1.5 通过其他化学处理打开带隙 155
8.2 不破坏石墨烯的晶格或化学结构打开带隙 155
8.2.1 通过加外加电场打开带隙 156
8.2.2 通过衬底影响打开带隙 157
8.2.3 通过衬底形成摩尔条纹(MoirPattern)打开带隙 158
8.2.4 通过自旋轨道耦合效应打开带隙 160
8.2.5 通过外加应力打开带隙 161
8.2.6 通过电子多体相互作用效应打开带隙 162
8.3 本章小结 162
第 9 章 石墨烯电学可调性质 163
9.1 石墨烯的基本电学和光学特性 165
9.2 石墨烯导电性调节 168
9.2.1 石墨烯费米能级的调节 169
9.2.2 石墨烯带隙的调节 172
9.3 石墨烯 pn结和石墨烯晶体管 174
9.3.1 石墨烯 pn结 174
9.3.2 石墨烯晶体管 183
9.4 石墨烯的电光调制 187
9.5 石墨烯的光电探测 196
9.6 石墨烯的光发射 203
9.7 本章小结 204
第 10 章 石墨烯异质结构 207
10.1 石墨烯垂直异质结 210
10.1.1 石墨烯/氮化硼异质结 210
10.1.2 石墨烯/过渡金属硫族化合物异质结 214
10.1.3 石墨烯/其他二维材料 218
10.1.4 石墨烯/一维、零维材料异质结 219
10.2 石墨烯面内异质结 220
10.2.1 石墨烯/氮化硼异质结 220
10.2.2 石墨烯/过渡金属硫族化合物异质结 221
10.3 本章小结 222
第 11 章 石墨烯复合结构 225
11.1 石墨烯的原子掺杂 227
11.1.1 氮掺杂石墨烯 227
11.1.2 硼掺杂石墨烯 229
11.1.3 硼氮共掺杂石墨烯 232
11.1.4 其他元素掺杂石墨烯 236
11.2 石墨烯的化学修饰 237
11.2.1 氧化石墨烯 237
11.2.2 石墨烯的氢化 239
11.2.3 石墨烯的氟化 244
11.2.4 其他石墨烯表面功能化 246
11.2.5 石墨烯表面吸附 249
11.3 本章小结 252
参考文献 253
索引 265
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