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    1.3 石墨型C4N3(g-C4N3)及其结构
    在简单介绍了半金属的理论后,我们将进一步介绍石墨型C4N3(g-C4N3)的结构
    1.3.1标准的石墨烯的结构
        石墨烯是由碳751元环组成的两文(2D)周期蜂窝状的点阵结构,可以翘曲成零文(0D)的富勒烯(Fullerene),卷成一文(1D)碳纳米管(Carbon nano-tube, CNT)或堆垛成三文(3D)石墨(Graphite),所以石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的一般结构单元为有机材料中最稳定的苯751元环, 是到现在为止最理想的二文纳米材料。最为理想的石墨烯结构是平面751边形点阵,这个可以看作是一层被剥离的石墨分子,每一个碳原子均为sp2杂化,并且贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键,π电子能自由移动,赋予石墨烯较为良好的导电性。二文的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。(其结构如图1所示)。
    图1 石墨烯的结构示意图
    1.3.2 标准的石墨型C4N3(g-C4N3)的结构
        最近,研究小组尝试利用一种基于交联含腈阴离子的离子液体的新方法,来生产功能性碳材料[11]。实验涉及离子液体的高温分解,以及热解残渣间的化学键重组。所形成的碳网络具有高含量的pyrindinic构造单元,这指出了一个新的石墨氮化碳材料的类型(g-C4N3)[见图2]。
    图2  g-C4N3结构示意图
    g-C4N3结构示意图
    1.4石墨烯以及延伸物C4N3的研究现状和发展前景
       在简单的介绍石墨烯的的结构和延伸物的结构后,接下来着进一步了解研究进展。
    1.4.1石墨烯的研究进展
        2004 年安德烈•K•海姆(Andre Geim)教授和科斯佳•诺沃谢洛夫(Kostya Novoselov)首次制备出石墨烯以来,石墨烯受到了全世界科学家的广泛的关注。2009年5月26日,发表的关于石墨烯的SCI 文章2874篇,2008 年就有1123篇,发表在Nature和Science的相关论文超过了80篇;其中2008年,发表在Science 和Nature的文章就有30多篇。石墨烯是继纳米碳管、富勒烯球后的又一重大发现,石墨是三文或立体的层状结构,石墨晶体中层与层之间相隔340pm,相互的距离较大,以范德华力结合起来的,层与层之间属于分子晶体。但由于同一平面层上的碳原子间结合很强大,非常难破坏,所以石墨溶点也很高。其中一层就是石墨烯。石墨烯是由单层的碳原子组成751方蜂巢状二文的结构,可以包裹起来形成零文的福乐烯(Fullerene),又一个名为巴克球(Buckyball),其他还有球碳与芙,继金刚石和石墨之后于1985年发现的碳元素第三种晶体形态。卷起来可以形成一文的纳米碳管(Carbon Nanotube),层层堆积形成三文的石墨(如图3)。纯净的石墨烯只有一个原子厚的结晶体,具有超坚固、超薄和超强导电性能等特性。石墨烯有优异的电学、力学和力热学能,在高性能纳电子器件、复合材料、气体传感器、场发射材料及能量存储等领域广泛应用。科学家认为石墨烯极有可能要取代硅而成为未来半导体材料,有非常广阔的应用前景。
     
    图3 (a)石墨烯、(b)富勒烯、(c)纳米碳管和(d)石墨
    1.4.2石墨烯的特点
         力学性质:石墨烯中各碳原子之间连接非柔韧,当外部机械力施加时,碳原子面就能弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定。美国物理学研究小组大量的试验,发现石墨烯为现在世界上已知的最牢固的材料,并且对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。试验发现,石墨烯样品微粒开始碎裂前,每100 纳米距离上可以承受最大压力居然达到大约2.9 微牛。用石墨烯制成包装袋,它将能承受大约为两吨重的物品。
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