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面外碳原子引入缺陷

单空穴和多重空穴缺陷形成时产生的丢失碳原子，并不一定完全脱离石墨烯，很多时候，这些碳原子在脱离原始碳六元环后，形成了离域原子而在石墨烯表面迁移。当其迁移至石墨烯某一位置时，会形成新的键。

由于石墨烯的很多缺陷如点缺陷，单空穴缺陷等也可以进行迁移，于是不难想象，当丢失碳原子遇到这些缺陷时，可能弥补这些缺陷。但是，当丢失碳原子运动到本身没有缺陷的石墨烯区域时，则有可能造成新的缺陷，这样的缺陷将破坏该区域原有的平面结构，形成立体结构。图1-6 是三种典型的面外碳原子引入缺陷，图1-6a-c 显示了这样缺陷的空间排布，图1-6d-e 为对应的丢失碳原子的引入位置。

由于面外碳原子引入缺陷或者具有非常快的迁移速度，或者具有很高的形成能量，实际试验中，很难通过各种显微技术(如透射电子显微镜，扫描隧道显微镜等)捕捉到，目前还没有见到有关面外碳原子引入缺陷的观测报道。但基于早期对于活性炭活化机理的研究表明：碳、氧原子可以在碳层表面迁移。因此面外碳原子引入缺陷的存在性是可以确认的，因此目前有很多关于这种缺陷形成能及迁移能量的理论值研究报告。

当然，图1-6 展示的只是面外碳原子引入缺陷的三种典型的例子，实际上，面外碳原子引入缺陷应该存在多种空间构型，且随着引入原子数量的增多，其空间构型也趋于复杂。上述理论研究提供了详细的各种面外碳原子引入缺陷的形成及迁移能量，为后期选择观测方法和观测条件提供了非常有意义的数据。面外碳原子缺陷的存在，无疑破坏了石墨烯整体的二维空间晶型。特别是有些缺陷(如图1-6b)，改变了碳原子的轨道杂化类型，使得石墨烯内部出现sp3杂化轨道碳，这样的缺陷势必影响石墨烯电学特性，利用这样缺陷的可行性研究目前正在开展。当然，如何使这样的缺陷具有可控性，对研究人员来说是个很大的挑战。

石墨烯外引入缺陷

石墨烯外引入缺陷具体又可以分为两类：一类为面外杂原子引入缺陷，一类为面内杂原子取代缺陷。以下将分述此两类缺陷。

面外杂原子引入缺陷

在化学气相沉积或者强氧化的条件下，由于过程中使用了金属元素或者含氧的氧化剂，石墨烯表面不可避免引入了金属原子或者含氧官能团等。这些杂原子以强的化学键或者弱的范德华力与石墨烯中碳原子发生键合，构成了面外杂原子引入缺陷。相关研究证实，金属原子构成的面外杂原子引入缺陷在石墨烯表面可以发生明显的迁移运动。图1-7 显示了使用透射电子显微镜观测到的这种运动，其中L 为铂原子，E 为铂原子簇。从图中可以看出，在290 s 的观测时间内，铂原子发生了明显迁移，铂原子簇也分裂为更小的簇在石墨烯表面运动。

原标题：石墨烯的缺陷及其形成原因

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