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碳六元环呈蜂窝状晶格排列构成的单层2D晶体赋予了石墨烯独特的属性。虽然石墨烯很薄，但是它的结构很稳定，其平面六边形的点阵结构示意图如图1.2（a）所示。其中，每个碳原子均为sp 2 杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动 ［26］ 。石墨烯属于一种半导体材料，并被誉为“21世纪的硅”，其能谱与能带示意图如图1.2（b）所示，与传统的半导体材料（如硅、砷化镓等）不同的是，石墨烯的价带和导带相交于一点（狄拉克点），类似两个锥形结构对接，中间没有带隙，所以石墨烯也被称为零带隙半导体 ［27］ 。
图1.2 （a）石墨烯碳原子构成的平面六边形点阵结构示意图；（b）石墨烯的能谱与能带示意图 ［27］
石墨烯有许多特异的性质，如石墨烯的透光率达到了97.7% ［28］ ，具有“透明”性质。石墨烯中的电子具有特殊的输运性质：首先，由于石墨烯的单原子二维结构，电子的运动被限制在一个平面上，其受到周围碳原子的干扰非常小，可以穿越数千个原子间距离而不发生散射 ［29］ ；其次，石墨烯结构十分稳定，迄今为止，研究人员尚未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，因此其电子在轨道中移动时不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射；最后，实验测量发现，石墨烯表现出异常的整数量子霍尔效应，其霍尔电导率为量子电导率的奇数倍，这种现象可以理解为石墨烯中电子遵守相对论量子力学，没有静质量，电子的运动速度达到了光速的1/300，石墨烯中的电子被称为“载流子” ［30］ 、无质量狄拉克费米子 ［29］ 。由此，石墨烯的电子迁移率非常高，在室温下测量可以达到250000cm 2 ·V -1 ·s -1［31］ ，与物质的迁移率理论极限值（约200000cm 2 ·V -1 ·s -1 ） ［32］ 十分接近。而电阻率只有约10 -6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料。
石墨烯除了具有上述的优良特性，还有许多其他特点，如石墨烯的导热系数高达5300W·m·K -1［33］ ，高于碳纳米管和金刚石；石墨烯的强度很高，杨氏模量有1TPa，固有强度130GPa ［34］ ；石墨烯的载流子浓度也可以通过引入偏置电压来改变，进而调制石墨烯的化学势水平及电导率。正是其具有的这一系列优良特性，使得它具有广阔的应用前景和非常高的研究价值。