燕园众欣丨石墨烯的缺陷及其形成原因
石墨烯被发现之后就因为其各种一骑绝尘的各种性能堪称“完美材料”，实际上，真实存在的石墨烯并不是一张绝对平整的...
石墨烯被发现之后就因为其各种一骑绝尘的各种性能堪称“完美材料”，实际上，真实存在的石墨烯并不是一张绝对平整的由碳六元环构成的大分子。研究表明，石墨烯本身具有一定的褶皱，并不绝对平整；而且，由于石墨烯并不是天然条件下存在的产物，人工制备的石墨烯基于各种制备方法的限制，其结构中存在各种缺陷！
石墨烯概述2004 年，Novoselov等人成功在实验室制备出了稳定的单层石墨烯，严格二维晶体不能稳定存在的观点被重新审视。 紧接着，Novoselov等人的进一步研究发现，石墨烯不但能够稳定存在，而且结晶度非常高，在石墨烯上，电荷载体可以运动成千上万个原子距离而不发生散射；此后，Zhang Yuanbo等人在石墨烯上观察到了量子霍尔效应。
一系列研究结果表明：石墨烯作为单层晶体，具有与众不同的特殊性质。自此，石墨烯迎来了属于它的“黄金时代”，大量围绕着石墨烯光学，电学，力学特性及理论与应用的研究被广泛而深入的开展起来。
石墨烯的结构及缺陷由sp2轨道杂化的碳原子组成的六元环向平面方向延伸，就可以构成石墨烯的理论模型（如图1所示），从图中可以看出，石墨烯通过卷裹、层叠等，可以形成我们熟悉的炭材料，如富勒烯，碳纳米管，石墨等。
石墨烯缺陷，可以分为两大类：第一类缺陷为本征缺陷，由石墨烯上非sp2轨道杂化的碳原子组成，这些碳原子轨道杂化形式的变化，通常是因为本身所在的，或者周围的碳六元环中缺少或者多出碳原子所导致，因此这种石墨烯片在原子分辨率下通常可以观察到明显的非六元碳环甚至点域或者线域的空洞；
第二类缺陷为外引入缺陷，也可以称之为不纯缺陷，这些缺陷是由与石墨烯碳原子共价结合的非碳原子导致的，由于原子种类的不同，外原子缺陷如N、O 等强烈着影响着石墨烯上的电荷分布和性质。
另外，基于以前人们对于晶体缺陷迁移的认识，特别是碳纳米管在外能量干扰下结构重构的研究，可以合理的认为，石墨烯上的缺陷并不总是静止在某一位置，其沿石墨烯可以做移动，只是这种移动程度可能很低，无法观测到。
石墨烯本征缺陷石墨烯本征缺陷具体来说可以分为五类：点缺陷，单空穴缺陷，多重空穴缺陷，线缺陷和面外碳原子引入缺陷。以下将分述此五类缺陷。
点缺陷
石墨烯的点缺陷是由于C-C 键的旋转而形成的，因此该缺陷的形成并没有使石墨烯分子内发生碳原子的引入或者移除，也不会产生具有悬键的碳原子。这种缺陷的形成能大约为5 eV， 这样高的形成能导致点缺陷在至少1000℃下的平衡浓度可以忽略。点缺陷可以由于电子束轰击或者在高温环境中快速冷却产生。图1-2为点缺陷的TEM 图像和计算得到的原子排布结构图，其缺陷形成的原因可能为高能电子的轰击。
单空穴缺陷如果在连续排列的碳六元环中丢失一个碳原子，石墨烯上就会形成单空穴缺陷。图1-3为单空穴缺陷的TEM 图像和计算得到的原子排布结构图。很显然，一个碳原子的丢失必然造成与本来与其相连的三个共价键断裂，其结果是形成了三个悬键。Jahn-Teller效应影响下，为了降低分子整体能量，石墨烯丢失碳原子区域发生结构重排，最终两个悬键彼此连接，剩余一个悬键，同时区域结构调整，层面突起。不难想象，这样拥有一个悬键的缺陷形成需要比点缺陷更高的能量，相关研究的理论计算表明，这种缺陷的形成能大约为7.5 eV。
在图1-5a中，可以明显看出：不同晶取向的石墨烯在边缘交叉的位置开始出现线缺陷，图1-5b是这些线型交叉位置的放大图，从图中可以更加明显的看出线缺陷所造成的紊乱原子排列。类似这样的石墨烯线缺陷现象还曾被多次发现。
关注 燕园众欣石墨烯
微信扫一扫关注公众号
