前言

石墨烯是由sp ² 杂化碳原子组成的单原子层二维碳材料，独特的晶体结构和能带结构赋予其优异的电学、光学、热学和力学等性质，使其在柔性器件、光电子器件、能源的储存与转化等领域具有重要的应用价值。自2004年被发现以来，石墨烯已经成为基础科学研究的热点材料。除了对其本征的电学、光学等物理性质进行研究，人们还发现了许多新奇物性，例如，基于单层石墨烯发现了螺旋量子霍尔相、氢气渗透等新奇效应，基于扭转双层石墨烯发现了超导、铁磁性等物理特性。目前，石墨烯已经成为诸多应用领域的战略材料，国际和国内都已对石墨烯的产业应用展开了布局。

结构决定性质，石墨烯的众多优异性质取决于其结构特征。根据石墨烯的结构和形态，可以将石墨烯分为具有单层或少层结构的石墨烯薄膜以及由不同层数和尺寸的石墨烯片组成的粉体石墨烯。通常，通过机械剥离法或化学气相沉积法可以制备石墨烯薄膜，而通过液相剥离法或快速升温生长法可以制备粉体石墨烯。不同类型、不同品质的石墨烯表现出不同的性能，适合于不同的应用定位。因此，石墨烯结构和物性的可靠、准确表征是石墨烯的基础科学与应用研究的基本前提。本书总结了石墨烯结构与物性的常用表征技术，从表征技术的基本原理和基本方法出发，对石墨烯的晶格、层数、掺杂、缺陷、表面官能团等结构特征，以及石墨烯的电子能带、载流子输运、力学行为、热传输等物理性质的常用表征手段进行了详细介绍，并结合当前最新的文献报道给出了实例分析，以期为读者提供全面、系统的石墨烯结构和物性表征的参考手册。

全书共十一章，各章之间既联系紧密以构成整体，又彼此独立。第1章简要概述了石墨烯的结构和性质，为后续章节详细展开讨论奠定了基础。石墨烯的形貌和晶体结构是其性质的核心，本书在第2章和第3章中分别介绍了最常用的显微学和光谱学表征技术。第2章从宏观尺度到纳米尺度再到原子尺度对石墨烯结构的表征方法进行了介绍，包括大范围的光学显微术、纳米尺度表面起伏与横向尺寸的扫描电子显微术和原子力显微术，以及原子尺度晶体结构的透射电子显微术和扫描隧道显微术等。第3章重点介绍了拉曼光谱及其在石墨烯的层数、缺陷、堆垛、功能化等结构特征中的表征应用，并介绍了紫外-可见吸收光谱、红外吸收光谱、荧光光谱等。增强拉曼散射效应是石墨烯重要的光谱学特征，已经成为分子检测的重要手段之一，并由此拓展出二维材料增强拉曼散射的研究领域。第4章介绍了石墨烯增强拉曼光谱，包括其机理、应用与拓展。第5章介绍了石墨烯的晶格与电子结构表征技术，包括低能透射电子显微镜、扫描隧道谱、角分辨光电子能谱等。第6章介绍了石墨烯的电学性质及其表征技术，包括导电性能、载流子迁移率等测量的基本方法和原理等。第7章介绍了石墨烯的热学性质及其表征技术，主要包括对石墨烯薄膜材料与宏观材料的热导率测量。第8章介绍了石墨烯的力学性质及其表征技术，主要包括针对主要力学性质的原子力显微镜纳米压痕法、拉曼光谱法、微桥法。粉体石墨烯是面向应用的最重要的石墨烯产品，也是最容易实现宏量制备的石墨烯材料。前面章节的表征技术已经部分涉及对粉体石墨烯特定形态的表征，包括石墨烯宏观材料的热导率测量、三维石墨烯的力学性质表征。第9章从元素、晶体结构及层间距、比表面积、热稳定性、在溶剂中的分散性能等方面介绍了粉体石墨烯的物理化学性能表征技术。第10章对前面章节未讨论到的部分性质进行了补充介绍，例如非线性光学性质、表面等离激元效应、磁学性质、电化学性质及渗透性等。第11章对全书进行了总结与展望。

石墨烯的光学特性涉及与不同波段光的相互作用，包括紫外、可见、红外波段。本书未对石墨烯的光学性质进行系统总结，而是从常用的光学成像和光谱表征技术出发，如第2章介绍了石墨烯的显微学表征技术，第3章介绍了石墨烯的光谱学表征技术，石墨烯的非线性光学性质、表面等离激元效应等在第10章中进行展开。

在本书的撰写过程中，于跃、王珊珊、史述宾、向兆兵、刘海舟、许世臣、孙丹萍、孙阳勇、杨良伟、李晓波、张娜、张诗舒、陈珂、范晓旭、赵艳、赵福振、徐波、高振飞、黄欢、韩东（按姓氏笔画顺序）参与了资料的收集与整理工作，张诗舒参与了全书的修订与校正。同时，本书参考引用了国内外同行的优秀研究成果。在此一并致谢！另外，衷心感谢华东理工大学出版社的大力支持！

需要指出的是，石墨烯的研究日新月异，尽管作者力求完美，但书中难免会有疏漏之处，恳请各位读者批评指正。

谨以此书献给奋斗在石墨烯基础和应用研究领域的科研和技术人员，以及对石墨烯材料感兴趣的广大读者！

编著者
2020年5月