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探究石墨烯弯曲形变：电子结构演变与特性解析

一、引言

1.1研究背景与意义

石墨烯自2004年被英国曼彻斯特大学的安德烈?盖姆（AndreGeim）教授和康斯坦丁?诺沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）博士成功从石墨中分离出来后，便在材料领域掀起了研究热潮，并因这一发现二人荣获2010年度诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，它是构成其它碳同素异形体的基本单元，可折叠成富勒烯（零维），卷曲成碳纳米管（一维），堆垛成石墨（三维）。这种独特的二维晶体结构赋予了石墨烯诸多优异的物理性能，使其在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料，也被誉为“新材料之王”。

在电学性能方面，石墨烯具有独特的能带结构，其零费米能级附近存在两个位于K点和K点的能谷和能峰，分别称为价带和导带，这种结构使得石墨烯展现出优异的导电性能和高达15000cm2V?1s?1以上的电子迁移率，且电子在其中传输时几乎无阻力，产生热量少。在光学性能上，石墨烯几乎完全透明，对光只有2.3％的吸收，同时基于石墨烯的等离子震荡技术可使光学设备响应不同频率波段，从太赫兹到可见光，具有响应速率快、激发电压低、能量损耗小、体积尺寸小等优势。从力学性能来看，石墨烯机械性能优异，杨氏模量达1.0TPa，强度是钢的200倍，而重量却仅为钢的1/6，这使其在航空航天、汽车制造等对材料强度有高要求的领域极具应用潜力。此外，石墨烯还拥有超高的热导率，达到5300W?m?1?K?1，是铜热导率的10多倍，在热管理领域前景广阔；其化学稳定性好，在空气中具有很好的耐腐蚀性，且有优异的化学吸附性能，可用于电池、超级电容器、催化、传感器等领域。

然而，理想的石墨烯是完美的平面二维结构，但在实际制备和应用过程中，石墨烯通常会出现表面不完全平整的情况，产生波纹状褶皱或扭曲等弯曲形变。例如，在化学气相沉积法制备石墨烯时，由于基底的不平整、生长过程中的应力等因素，石墨烯薄膜容易出现弯曲形变；在将石墨烯集成到微纳电子器件中时，与衬底的贴合、加工工艺等也可能导致石墨烯发生弯曲。这种弯曲形变会对石墨烯的电子结构和特性产生显著影响，进而影响其在各个领域的应用性能。研究石墨烯弯曲形变的电子结构和特性，有助于从本质上理解石墨烯在实际应用中的性能变化机制，为优化石墨烯材料性能、拓展其应用范围提供坚实的理论基础。在基础研究层面，深入探究弯曲形变如何改变石墨烯的电子结构，如能带结构、电子态密度等，能丰富人们对二维材料电子特性与几何结构关系的认识，推动凝聚态物理等学科的发展。在应用开发方面，明晰弯曲形变对石墨烯电学、力学等性能的影响规律，能为石墨烯在微纳电子器件、传感器、柔性电子等领域的设计和制造提供关键指导，促进高性能石墨烯基器件的研发和应用。

1.2国内外研究现状

国内外众多科研团队围绕石墨烯弯曲形变的电子结构和特性展开了大量研究。在理论计算方面，不少学者运用密度泛函理论（DFT）等方法进行模拟分析。有研究通过DFT计算不同弯曲曲率下石墨烯的电子结构，发现随着弯曲程度增加，石墨烯的能带结构发生明显变化，狄拉克点附近的线性色散关系被破坏，出现了一定的能带间隙，这表明弯曲形变会改变石墨烯的电学本征特性。在对有限六角环石墨烯模型的研究中，通过理论计算探究其分子轨道密度、电荷分布、偶极矩以及轨道能级等，发现弯曲导致分子轨道密度重新分布，电荷分布也变得不均匀，进而影响其电学性能。

在实验研究上，科研人员采用多种先进技术手段来探测弯曲石墨烯的特性。利用扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM），可以直观地观察石墨烯的微观形貌和弯曲状态，同时结合扫描隧道谱（STS）测量弯曲区域的电子态密度，实验结果表明弯曲区域的电子态密度与平整区域存在显著差异，进一步证实了弯曲对电子结构的影响。还有实验通过拉曼光谱研究弯曲石墨烯，发现拉曼特征峰的位置和强度发生变化，这些变化与石墨烯的弯曲程度和应变状态相关，为表征弯曲石墨烯的结构和性能提供了有效方法。

尽管取得了上述研究成果，但当前研究仍存在一些不足和空白。在理论计算方面，现有的计算模型和方法虽然能在一定程度上揭示弯曲石墨烯的电子结构变化，但对于复杂的弯曲形态以及多因素耦合作用下（如弯曲与杂质、缺陷同时存在）的情况，计算精度和可靠性有待提高，模型的普适性也需要进一步验证。在实验研究中，对于弯曲石墨烯的制备和精确操控技术还不够成熟，难以实现对弯曲程度、曲率半径等参数的精准调控，这限制了对弯曲石墨烯特性的系统研究；同时，目前实验测量手段多针对局部区域，缺乏对宏观尺度弯曲石墨烯整体特性的有效表征方法。此外，关于弯曲石墨