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《淺談石墨烯的發(fā)展與應(yīng)用.doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、淺談石墨烯的發(fā)展與應(yīng)用碳元素廣泛存在于自然界，其獨(dú)特的物性和多樣的形態(tài)隨著人類文明的進(jìn)步而逐漸被發(fā)現(xiàn)。自1985年富勒烯和1991年碳納米管被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以后，三維的金剛石、一維的碳納米管、零維的富勒球組成了碳系家族。碳的零維、一維、三維結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)可以穩(wěn)定存在的，那二維的理想石墨烯(Graphene)片層能自由存在嗎？關(guān)于準(zhǔn)二維晶體的存在性，科學(xué)界一直存在爭(zhēng)論。早先科學(xué)家認(rèn)為，準(zhǔn)二維晶體材料由于其本身的熱力學(xué)不穩(wěn)定性，在室溫環(huán)境下會(huì)迅速分解或拆解，長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)在無(wú)限的二維體系中無(wú)法維持。但單層Graphene作為研究碳納米管的理論模型得到了廣泛的關(guān)注
2、。直到2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)教授Geim等用一種極為簡(jiǎn)單的方法剝離并觀測(cè)到了自由且穩(wěn)定存在的單層Graphene，掀起了一場(chǎng)關(guān)于Graphene理論與實(shí)驗(yàn)的研究新熱潮。Graphene是材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的一顆迅速上升的新星。盡管一般的材料要等到商業(yè)產(chǎn)品的出現(xiàn)，其應(yīng)用價(jià)值才能被肯定，但是Graphene在基礎(chǔ)科學(xué)中的重要性卻無(wú)需更多的證明。雖然Graphene走過(guò)的歷史很短，但是這種嚴(yán)格的二維材料具有特殊的晶體學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，并且在應(yīng)用方面有可預(yù)見的價(jià)值。一、Graphene的結(jié)構(gòu)Graphene是由碳原子六角結(jié)構(gòu)（蜂窩狀）緊密排列的二維單
3、層石墨層。每個(gè)碳原子通過(guò)σ鍵與其它三個(gè)碳原子連接，由于每個(gè)碳原子有四個(gè)價(jià)電子，所以每個(gè)碳原子又會(huì)貢獻(xiàn)出一個(gè)未成鍵的電子。這些電子在晶體中自由移動(dòng)賦予了Graphene良好的導(dǎo)電性。同時(shí)，Graphene還可以包成0維富勒烯，卷成1維碳納米管，疊成3維石墨，它是眾多碳質(zhì)材料的基元，如果對(duì)Graphene有更深入的了解，就有可能依照人們的意愿定向制備某種需要的碳質(zhì)材料。在此有一點(diǎn)需要說(shuō)明，Graphene層并不是完全平整的，它具有物質(zhì)微觀狀態(tài)下固有的粗糙性，表面會(huì)出現(xiàn)起伏如波浪一般。這種褶皺會(huì)自發(fā)的產(chǎn)生并且最大厚度可達(dá)到0.8nm，也有一種觀點(diǎn)認(rèn)為褶皺是由于襯底與
4、Graphene相互作用導(dǎo)致的，具體原因還在進(jìn)一步研究中。在回顧關(guān)于Graphene早先的工作之前，定義什么是2維晶體是很有用的。很顯然，單原子薄層是2維晶體，100個(gè)單原子層的疊加可以認(rèn)為是一個(gè)薄的3維材料。但是具體多少層才算是3維材料？對(duì)于Graphene，這個(gè)問(wèn)題變得比較明朗。眾所周知，電子結(jié)構(gòu)隨著層數(shù)的變化而迅速演變，10層的厚度就可以達(dá)到3維石墨的限制要求。在很好的近似下，單層和雙層Graphene都有簡(jiǎn)單的電子光譜：它們都是具有一種電子和一種空穴的零帶隙的半導(dǎo)體（亦即零交疊半金屬）。對(duì)于三及三以上數(shù)目的薄層，光譜將變得復(fù)雜：許多電荷載體出現(xiàn)，導(dǎo)帶和
5、價(jià)帶也明顯的交疊。這一條件就將Graphene區(qū)分成三類：?jiǎn)?、雙、多（3到<10）層Graphene，更厚的結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為是薄層的石墨。二、Graphene的性質(zhì)雖然有很多新的2維材料，但是目前幾乎所有的試驗(yàn)和理論的成果都集中在Graphene上，而忽略了其它2維晶體的存在。對(duì)Graphene的這種偏愛是否公平仍值得商榷，但是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因卻十分明顯：被分離的Graphene晶體有卓越的特性。Graphene的能帶結(jié)構(gòu)和布里淵區(qū)是價(jià)帶和導(dǎo)帶在費(fèi)米能級(jí)的六個(gè)頂點(diǎn)上相交。從這個(gè)意義上說(shuō)，Graphene是一種沒(méi)有能隙的物質(zhì)，顯示金屬性。Graphene在雙
6、極性電場(chǎng)效應(yīng)中有突出的性質(zhì)，電荷載體可以在n值高達(dá)1013/cm2的條件下在電荷與空穴之間轉(zhuǎn)換，并且它們的遷移率μ可以超過(guò)15,000cm2/Vs。還有，遷移率與溫度的關(guān)系很小，在300K條件下μ還一直被雜質(zhì)散射所限制，因此μ也可以被顯著的提高，甚至高到約100,000cm2/Vs。雖然有些半導(dǎo)體材料（如InSb）的室溫μ值可以達(dá)到77,000cm2/Vs，但這些值都取自體材料本征半導(dǎo)體。在Graphene中，對(duì)于電學(xué)和化學(xué)參雜的器件，在n很高的情況下（n>1012/cm2）μ仍保持了很高的值,這就轉(zhuǎn)化成為亞微米量級(jí)（在300K時(shí)約0.3μm）的彈道輸運(yùn)。對(duì)G
7、raphene充滿興趣的另一個(gè)同等重要的原因是它電荷載體的獨(dú)特性質(zhì)。在凝聚態(tài)物理學(xué)中，薛定諤方程控制一切，它足以描述材料的電子特性。Graphene卻是一個(gè)例外：它的電荷載體更相似于相對(duì)論的微粒，并且狄拉克方程比薛定諤方程描述電荷載體更簡(jiǎn)單更自然。雖然電子在碳原子周圍移動(dòng)并不是相對(duì)論的范疇，但是在Graphene蜂窩格子結(jié)構(gòu)的周期勢(shì)影響下，電子與碳原子的相互作用引發(fā)了新的準(zhǔn)粒子，這個(gè)準(zhǔn)粒子具有很低的能量E并且可以被具有有效光速的2+1維狄拉克方程準(zhǔn)確的描述。這個(gè)準(zhǔn)粒子被稱為無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)密子，它可以看成是失去靜止質(zhì)量m。的電子，或具有電子電荷e的中微子。Gr
8、aphene的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)為我們提供了通過(guò)
