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2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈•K•海姆（Andre K.Geim）等制备出了石墨烯。海姆和他的同事偶然中发现了一种简单易行的新途径。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成，被命名为石墨烯。
石墨烯是由碳六元环组成的两维（2D）周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成零维（0D）的富勒烯（fullerene），卷成一维（1D）的碳纳米管（carbon nano-tube，CNT）或者堆垛成三维（3D）的石墨（graphite），因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，目前最理想的二维纳米材料。。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2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，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。
石墨烯的特性
1、电子效应
石墨烯从发现到现在，因为其无与伦比的高电子迁徙率，使其电性质研究的最深。石墨烯的电子迁徙率大小不随温度的变化而变化，因为石墨烯的晶格震动对电子散射很少，几乎不受温度变化的影响。不论温度如何变化，石墨烯的电子迁徙率大约都是 15000cm²/vs。石墨烯的超强导电性与他特殊的量子隧道效应有关。量子隧道效应允许相对论的粒子有一定概率穿越能量比自己高的势垒。而在石墨烯中，量子隧道效应被发挥到极致。所有粒子都发挥的量子隧道效应，通过率达100%。
2、非电子效应
石墨烯的导热能力出众，达到了5000W/（m•k），是金刚石的5倍。同时，石墨烯是目前世界上已知的最为坚固的材料，在石墨烯样品开始碎裂前，其每1nm的距离上能够承受的最大压力达到2.9微牛。而且石墨烯还同时展现了高韧性和高脆性亮哥互相矛盾的特性。
3、化学性质
类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。这些吸附物往往作为体或者受体并导致截留子的变化。石墨烯本身仍然是高导电，如氢离子、氢氧根粒子则会导致导电性很差的衍生物，但这些都不是新的化合物，只是石墨烯装饰不同的吸附物而已。
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