1.1　石墨烯的基本性质

1.1.1　力学性质

石墨烯在机械性能方面具有非常优异的性质，具有极强的韧性，其强度比钢材还要高出约200倍，同时具有良好的弹性。2007年，清华大学Wang等人报道了多层石墨烯具有明显的各向异性，其层间剪切模量为4 GPa，层间剪切强度为0.08 MPa^[1]。2008年，美国哥伦比亚大学Lee等人采用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）测量了单层石墨烯的杨氏模量和断裂强度，并将结果发表于《科学》杂志^[2] 。研究者们首先在Si基底上利用干法刻蚀制造了尺寸为微米级别的圆柱孔阵列，之后将机械剥离的单层石墨烯转移至Si基底上，通过AFM的探针与悬浮于圆柱孔阵列上的石墨烯发生相互作用，进而测得单层石墨烯的杨氏模量高达1 TPa，断裂强度为42 N/m，在25%拉伸应变条件下其抗拉强度为130 GPa。石墨烯膜力学性质测试的示例如图1.1所示。

同年，美国康奈尔大学Bunch等人对石墨烯膜的不透气性进行了理论分析与实验研究^[3]，结果发现小尺寸石墨烯膜对氦气具有极好的密封性，且实验中单层石墨烯膜可承受接近一个标准大气压的压力。需要说明的是，流量介质垂直作用于单位面积上的力称为压强，工程上则称为压力。在国际单位制[SI]中，压力的单位为牛/米2（N/m2），该单位又称为帕斯卡（Pa），简称为帕。这为将石墨烯作为气压敏感薄膜提供了可能。2010年，东南大学Ni等人利用分子动力学相关方法计算了石墨烯的力学性能，发现石墨烯的应力-应变曲线和普通金属具有类似的形变阶段：弹性形变、屈服、强化和断裂^[4]。

图1.1　石墨烯膜力学性质测试的示例（a）悬浮于圆柱孔阵列上的石墨烯显微图；（b）悬浮石墨烯膜显微图；（c）悬浮石墨烯膜的AFM探针测试；（d）破损的石墨烯膜

2011年，新加坡A-star研究所Sorkin等人利用分子动力学方法进一步仿真研究了以SiC为基底的石墨烯圆膜，得出其断裂强度可达到32 N/m^[5]。仿真结果表明，石墨烯膜理论上可承受高强度的应力。同年，美国科罗拉多大学Koenig等人利用AFM研究了石墨烯膜与SiO₂基底间的吸附特性，测得单层石墨烯与SiO₂基底间的吸附能为（0.45±0.02）J/m²，少层（2～5层）石墨烯膜与基底间的吸附能为（0.31±0.03）J/m²。即单层石墨烯膜具有比其他微机械结构更大的吸附能^[6]，构建了薄膜与基底间界面吸附与薄膜预应力之间的关系。2017年，德国亚琛大学Goldsche等人设计了图1.2所示的静电驱动式梳齿状硅微机械驱动器，通过机械方式对石墨烯进行拉伸实现悬浮石墨烯膜应力调控，利用共焦拉曼光谱测得石墨烯应变调节系数达1.4 %/µm^[7]。

图1.2　静电驱动式梳齿状硅微机械驱动器^[7]

上述相关工作为石墨烯结构设计与转移基底优化提供了理论指导。