石墨烯是简单格子还是复式格子，为什么？

要搞清楚石墨烯的结构是简单格子还是复式格子，咱们得先明白这两个概念指的是啥。

什么是简单格子？

简单格子（Simple Lattice）就好比你的花园里，只种了一种花，而且这些花以一种非常规整、重复的方式排列着。在晶体学里，简单格子指的是由一种原子（或者说是相同的基本结构单元）通过某种规律性的方式（平移、旋转等）堆积形成的周期性结构。你可以想象成一堆完全相同的乐高积木，按照固定的模式一层层搭起来。

什么是复式格子？

复式格子（Lattice with Basis）就有点像你家花园，不只种了一种花，可能有玫瑰、郁金香，甚至还有薰衣草，而且它们是以一种更复杂的、但依然有规律的模式组合在一起的。在晶体学里，复式格子指的是在每个晶格点上，都有一个包含多个原子（或更复杂的结构单元）的基元（Basis）被重复平移。这些原子在基元内部有固定的相对位置和连接方式，然后这个基元再按照简单格子的规律进行重复。

现在，咱们来看看石墨烯是怎么回事。

石墨烯，大家都知道，是单层碳原子构成的二维材料。它的核心结构是蜂窝状的。

那么，这个蜂窝状的结构是怎么形成的呢？

1. 碳原子的基本单元： 石墨烯中的基本构成单位是碳原子。一个碳原子有6个电子，其中4个是价电子。在石墨烯中，每个碳原子通过sp2杂化形成三个σ键，分别与另外三个碳原子键合。还有一个p轨道上的电子（π电子）是离域的，形成了π键。

2. 键合与结构： 这三个σ键指向一个平面，而且键角接近120度，这就导致了碳原子形成一个平面的六边形网络。相邻的碳原子之间形成CC单键，而π电子则在整个六边形网络中离域，形成类似苯环的共轭体系。

3. 格子的构成： 如果我们仔细观察这个六边形网络，会发现它的最小重复单元（即原胞）实际上是由两个不等价的碳原子组成的。也就是说，你在这个蜂窝状结构里随便找一个碳原子，然后根据它的化学环境来定义“这个点”。你会发现，你无法只用一个碳原子来定义整个结构，因为任何一个碳原子，它的三个邻居碳原子在结构上和它的位置关系是相同的，但如果你试图仅用一个碳原子来“平移”出整个石墨烯，你会发现有些碳原子正好落在了“格子点”上，而有些碳原子则不落在“格子点”上，而是位于“格子点”和它的邻居之间的某个位置。

所以，石墨烯到底是简单格子还是复式格子？

根据上述的定义，我们可以得出结论：

石墨烯是一个复式格子。

为什么呢？

因为石墨烯的结构，虽然是由同一种原子（碳原子）构成，但它的最小重复单元（原胞）包含了两个不等价的碳原子。这两个碳原子之间有特定的化学键和几何位置关系。你可以把这两个碳原子看作是构成一个“基元”，然后这个基元按照一个简单的晶格（比如一个二维的三角格子或斜方格子）进行平移，最终构成了整个石墨烯的蜂窝状结构。

换句话说，如果你尝试用一个简单的格子来描述石墨烯，你会发现你无法仅凭一个点就“复制”出整个结构，因为在任何一个“假想”的简单格子点上，你都需要放置两个碳原子，并且这两个碳原子之间有固定的相互作用。

打个比方，还是用乐高：

简单格子： 你的乐高积木都是一样的A形状，你只是把A形状的积木按照固定的方式（比如平移）一块块垒上去。
复式格子： 你的乐高积木，你需要在每个“点”上放置一个“基础结构”。这个基础结构可能是由一个红色的A形状积木和一个蓝色的B形状积木按照特定方式组合而成的。然后，你再把这个“红蓝组合”的结构按照简单格子的方式进行平移，一层层搭起来。

在石墨烯里，你可以想象蜂窝状结构中的每一个六边形，其顶点就是我们刚才提到的“格子点”。但是，每一个“格子点”上实际连接的碳原子，其实是属于两个不同的、不等价的碳原子集合中的一个。具体来说，构成原胞的两个碳原子，它们在结构上是对称但又不完全等价的。如果你选择一个碳原子作为“基础”，那么它的所有“邻居”碳原子，在结构上看，都是通过一个“位移+旋转”或者更复杂的变换才能从你选择的那个“基础”碳原子得到。

更精确地说，石墨烯的晶格可以被描述为一个二维的三角晶格，但每个晶格点上都连接着两个不等价的碳原子。这两个碳原子以sp2杂化方式结合，形成蜂窝状的六边形结构。

所以，简单地认为石墨烯是“一个原子一个原子地简单排列”是片面的。它的周期性结构是建立在两个不等价碳原子的组合基元之上的，因此属于复式格子。

网友意见

这个问题非常基础，但值得回答一下，因为这是当年我考清华研究生的复试笔试题。

石墨烯是复式格子，相邻的两个原子记为AB，只看A就知道是三角格子。六角结构由AB形成两套子格子嵌套形成。

回答完毕，下面是附赠的：

1. 复式格子和简单格子这个概念，除了黄昆先生的书里，基本已经不用了。单纯区分这个概念有点过时。
2. 这个题目下宫非的答案还是有些信息量的，看来也是花了功夫的。只是奇怪的是，他大部分的石墨烯相关的回答，都是答非所问+一部分事实错误，这个答案就是其中的一个例子。

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