石墨烯论文

石墨烯 摘要:石墨烯是2004年才发现的新型材料，它是碳原子组成的平面结构。具有单一原子或几个原子的厚度。石墨烯因具有独特的电子结构。是迄今为止人类发现最早的二维电子系统。 关键词:石墨烯的制备:石墨烯特性:石墨烯结构:石墨烯应用 0引言: C是最神奇的元素，自然界中碳也是组成物质最多的元素，给人类带来了很多财富石墨也是人类最常见的材料。在科学界最热门的材料就是石墨烯。顾名思义，石墨烯与石墨有紧密的联系。我们知道，石墨是一类层状的材料，它是由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于层间的作用力较弱，因此石墨层间很容易互相剥离，形成薄的石墨片，这也正是铅笔能在纸上留下痕迹的原因。这样的剥离存在一个最小的极限，那就是单层的剥离，即形成厚度只有一个碳原子的单层石墨，这就是石墨烯。石墨Graphene)是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。石墨烯的理论比表面积高达2 600m2Pg ,具有突 出的导热性能( 3 000W?m- 1?K- 1 ) 和力学性能(1 060GPa) , 以及室温下较高的电子迁移率(15 000cm2?V- 1?s - 1 ) 。此外,它的特殊结构,使其具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质 ,因而备受关注。但长久以来，科学家们从理论上一直认为这种纯粹的二维晶体材料是无法稳定存在的，一些试图制备石墨烯的工作也均以失败而告终。直到2004年，英国曼彻斯特大学的A. Geim教授及其合作人员凭借极大的耐心与一点点运气终于如大海捞针般首次发现了石墨烯。他们采取的手段与铅笔写字有异曲同工之妙，即通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐减小，最终通过显微镜在大量的薄片中寻找到了理论厚度只有0.34纳米(约为头发直径的二十万分之一)的石墨烯。 1石墨烯制备 2石墨烯的结构 石墨烯是一种由C原子经sp2电子轨道杂化后形的，是C元素的另外一种同素异形体，由碳原子六角结构(蜂窝状)紧密排列的二维单 层石墨层(见图1)。同时， 石墨烯还可以包成0维富 勒烯，卷成1维碳纳米管， 叠成3维石墨，它是众多 碳质材料的基元，如果对石墨烯有更深入的了解，就有可能依照人们的意愿定向制备某种需要的碳质材料。在此有一点需要说明，石墨烯层并不是完全平整的，它具有物质微观状态下固有的粗糙性，表面会出现起伏如波浪一般。这种褶皱会自发地产生并且最大起伏度可达到0(8nm，也有一种观点认为褶皱是由于衬底与石墨烯相互作用导致的，具体原因还在进一步研究之中。 在回顾关于石墨烯早先的工作之前，定义什么是2维晶体是很有用的。很显然，单原子薄层是2维晶体，100个单原子层的叠加可以认为是一个薄的3维材料。对于石墨烯，众所周知，电子结构随着层数的变化而迅速演变，lO层的厚度就可以达到3维石墨的限制要求。在很好的近似下，单层和双层石墨烯都有简单的电子能谱:它们都是具有一种电子和一种空穴的零带隙的半导体(亦即零交叠半金属)。对于三及三以上数目的薄层，能谱将变得复杂:许多电荷载体出现，导带和价带也明显地交叠。这一条件就将石墨烯区分成三类:单、双、多(3到10)层石墨烯，更厚的结构可以被认为是薄层的石墨。 虽然有很多新的2维材料，但是目前几乎所有的试验和理论的成 果都集中在石墨烯上，而忽略了其它2维晶体的存在。对石墨烯的这种偏爱是否公平仍值得商榷，但是产生这种现象的主要原因却十分明 显:被分离的石墨烯晶体有卓越的特 性。 石墨烯为复式六角晶格，每个元 胞中有两个碳原子，每个原子与最近邻的三个原子问形成三个a键。由于每个碳原子有四个价电子，所以每个碳原子又会贡献出一个剩余的P电子，它垂直于石墨烯平面，与周围原子形成未成键的耳电子。这些7c电子在晶体中自由移动赋予了石墨烯良好的导电性。由简单的紧束缚模型可以计算得到;不和不能带在K 点交于一点(如图2所示)，该点附近E一是呈线性关系我们把这一点叫做Dirac点。 从这个意义上说，石墨烯是一种没有能隙的材料，显示金属性。石墨烯在双极性电场效应中有突出的性质，电荷载体可以在掺杂浓度n值高达10?,cm。的条件下在电荷与空穴之间转换，并且它们的迁移率在室温下可以超过15，000cm。,Vs。迁移率与温度有关系，在300K条件下 仍被杂质散射所限制，因此 应该还能够有显著的提高，甚至高到约100，O00cm。,Vs。虽然有些半导体材料(如InSb)的室温值可以达到77，000cm ,Vs，但这些值都取自体材料本征半导体。 在石墨烯中，对于电学和化学掺杂的器件，在"很高的情况下(72>10 ,cm ) 仍保持了很高的值，这就实现了亚微米量级(在30OK 时约0(3,~m)的弹道输运。对石墨烯充满兴趣的另一个同等重要的原因是它电荷载体的独特性质。在凝聚态物理学中，薛定谔方程控制 一切，它足以描述材料的电子特性。 石墨烯却是一个例外:它的电荷载体更相似于相对论的微粒，并且狄拉克方程比薛定谔方程描述电荷载体更简单更自然。虽然电子在碳原子周围移动并不是相对论的范畴，但是在石墨烯蜂窝格子结构的周期势影响下，电子与碳原子的相互作用引发了新的准粒子，这个准粒子具有很低的能量E并且可以被具有有效光速 ? 10 m,s的2+1维狄拉克方程准确地描述。这个准粒子被称为无质量的狄拉克费密子，它可以看成是失去静止质量rrl。的电子，或具有电子电荷e的中微子。 石墨烯的实验发现为我们提供了通过测量其电子特性来探寻量子电动力学现象的方法。在石墨烯量子电动力学性质的时候，需要引入“手性”这个新的参量。 石墨烯的手性表明了一个事实，就是具有正k的电子和具有负k的空穴的状态与石墨烯具有相同的碳亚晶格有复杂的联系。另外，E为零附近(能带相交的地方)的电子态是由不同的亚晶格状态组成的，并且亚晶格之间的关系对准粒子构成的贡献也要被考虑到。这就要求用一个指数来标记亚晶格A和B，就像量子电动力学中的自旋量子数(上和下)一样，这个指数被称为膺自旋，而膺自旋相关的作用几乎控制了与真正白旋相关的作用。手性和膺自旋的概念都非常重要，因为石墨烯的许多电子过程的理解都基于这些量的存在。另一个重要的现象就是石墨烯的零场电导率a在n消失的时候并没有随之消失，而是每个载体类型以接近电导率量子值e。,h的数值存在。对于其他所有已知材料，低的电导率在低温下都不可避免地导致金属绝缘转变，但是这种现象在石墨烯降温到液氦温度也没有发生。 石墨烯的室温 量子霍尔效应也是人们 感兴趣的独特性质之 一。霍尔电导率, 通过 中性点，走势呈不间断 的等距阶梯(参见图3)。在中性点处电荷载体由电荷变为空穴。霍尔电导率中的次序N在遵循标准量子霍尔效应的条件下被提高1,2，所以在公式 一?4e。,h(N+ ],2)中，(N是朗道能级，指数系数4则是双能谷和自旋带来的简并度。这个效应被称为“半整数”量子霍尔效应，以体现它既不是新的分数量子霍尔效应也不是标准的整数量子霍尔效应。这个不寻常的现象可以由石墨烯在磁场B中电子能谱的类量子电动力学量子化来解释，通过Dirac方程，求解磁场下石墨烯中载流子的Landau能级，结果为:EN=? ,,2e#BN，其中?分别代表电子和空穴。可以看出，石墨烯中n一0的Landau能级的简并度只有其他Landau能级的一半，因为其Landau能级的真空能是0，这就足以解释这个反常的量子霍尔效应结果。另一种对于半整数量子霍尔效应的解释需要结合膺自旋和轨道理论。 另外，石墨烯的室温量子霍尔效应使原有的霍尔效应温度范围扩大了1O倍，表明了其独特的载流子特性和优异的电学质量。 石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有 优秀的导电性。 石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。 石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。 3石墨烯的应用 3(1 微电子领域应用 微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。 曼彻斯特的小组采用标准半导体制造技术制作出晶体管。从一小片石墨烯片层开始，采用电子束曝光在材料上刻出沟道。在被称为中央岛的中部位置保持一个带有微小圆笼的量子点。电压可以改变这些量子点的电导率，这样就可以像标准场效应晶体管那样储存逻辑态。可在26GHz频率下运作可望使该种材料超越硅的极限，达到100GHz以上的速度跨入兆赫(terahertz)领域。 3(2 计算机芯片材料中的应用 马里兰大学物理学家的研究表明 引，未的计算机芯片材料中石墨烯可能取代硅。石墨烯具有远高于硅的载流子迁移率，并且从理论上说，它的电子迁移率和空穴迁移率两者相等(因此其n型场效应晶体管和P型场效应晶体管是对称的。因为其还具有零禁带特性，即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微 米级，所以它是一种性能非常优异的半导体材料(专家指出硅基芯片在室温条件下的速度是有限的，很难再大幅提高;而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少，且石墨烯本身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量，由石墨烯制造的集成电路运行的速度将要快得多(据估计用石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到1T(105z)Hz，即比现在常见的1G(100)的计算机快1 000倍( 3(3 减少纳米元件噪声领域的应用 美国IBM公司T?J?沃森 研究中心的科学家，最近攻克 了在利用石墨构建纳米电路方 面最令人困扰的难题，即通过 将两层石墨烯片叠加，可以将 元器件的电噪声降低10倍，由 此可以大幅改善晶体管的性 能，这将有助于制造出比硅晶体管速度快、体积小、能耗低的石墨烯晶体管。 3(4 石墨烯可作为宇宙学研究的平台 精细结构常数是物理学中一个重要的无量纲数，用希腊字母α表示，它与量子电动力学有着紧密的渊源。它将电动力学中的电荷e、量子力学中的普朗克常数h、相对论中的光速c联系起来，定义为α=(e^2)/(2ε0*h*c)(其中 e 是电子的电荷， ε0 是真空介电常数， h 是普朗克常数， c 是真空中的光速).而其大小为什么约等于1/137至今尚未得到令人信服的回答。 Geim与Rahul.Nair和Peter.Blake两位博士一道，首次创造出巨大的悬浮石墨烯薄膜。他们发现，尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度，可以吸收大约2.3%的可见光。而相关的理论研究也表明，如果将这一数字除以圆周率，就会得到较为精确的精细结构常数值。 4.展望 1.电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管 2.进一步减小器件开关时间，THz超高频率的操作响应特性 3.探索单电子器件 4.在同一片石墨烯上集成整个电路 5.其它潜在应用包括:复合材料;作为电池电极材料以提高 电池 效率、储氢材料领域、场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感 器等领域 6.可应用于各种器件的特殊性能要被精确的控制 7.最重要的是石墨烯制备方法的改进，如何大量、低成本制备高质量 的石墨烯材料应该是未来研究的一个重点 参考文献: 【1】Geim A K，Novoselooks the rise of graphene[J]Nature Materials，2007，(6): 183,191 【2】Novoselooks，Geim AK，Morozovsv，et a1(Elec—tric field effect in atomically thin carbon films[J](Science，2004，(306):666 669( 【3】Novoselooks，Geim AK，Morozovsv，et a1(Tow—dimensional gas massless dirac fermions ingraphene[J]Nature，2005，(438):197-200( 【4】hang YB，Tan YW，Stormer HL，et a1(Experimentalobservations of the quantum Hall effectand Berry’S phase in graphene [J]Nature，2005，(438):201,204( 【5】Meyer jc，Geim A K，Katsnelson M I，et a1(