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碳纳米管作为一文纳米材料，自 1991 年被 S. Iijima 发现以来一直是研究
的热点。根据层数可分为单壁(single-wall carbon nanotubes)和多壁
(multiwall carbon nanotubes)。根据手性可分为非手性和手性结构。中空结构，
一般可认为是单层石墨卷曲而成。它在很多领域都有着广泛的应用和前景。正如美国 Alex Zettl 教授说，就应用前景对 C60 和碳纳米管进行全面的比较，C60
可以用一页纸概括， 而碳纳米管需要一本书来完成。 碳纳米管作为一文纳米材料，
重量轻，751边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年
随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。
碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管（SWNTs）和多壁
碳纳米管（MWNTs）。多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中
心而捕获各种缺陷， 因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。 与多壁管相比，
单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更
高的均匀一致性。碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅式纳米管，
手型纳米管和锯齿形纳米管。
作为二文材料，一般厚度方向为单原子层或双原子层碳原子。完美的石墨烯
包括751角元胞(等角751边形)。2004 年被英国 A.K.Geim 发现。石墨烯有众多优异
的物理性质，在很多现象中有很多异常的行为如整数量子霍尔效应，准粒子激发
谱可用 2+1 文无质量的相对论 Dirac 方程描述等等。近几年研究的特别热。2010
年瑞典皇家科学院将 2010 年的诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的两位教
授 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov，以表彰他们对石墨烯的研究的贡献。
1.2.2 石墨烯性质
石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同， 是碳原子以sp2 混成轨域呈蜂
巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二文晶体。石墨烯可想像
为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的
graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。
石墨烯的结构非常稳定，碳碳键仅为 0.142 nm。石墨烯内部的碳原子之间
的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必
重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优
秀的导热性。另外，石墨烯中的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。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生
挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。
石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒
烯。完美的石墨烯是二文的，它只包括751边形(等角751边形)；如果有五边形和七
边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12 个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。
石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管； 另外石墨烯还被做成弹道晶体管并且
吸引了大批科学家的兴趣[59-63]
。在 2006 年 3 月，佐治亚理工学院研究员宣布，
他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了量子干涉效应，并基于
此结果，研究出以石墨烯为基材的电路[64]。
石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料
非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺