石墨烯的電學(xué)性質(zhì)及其研究進(jìn)展[精制資料]

石墨烯的電學(xué)性質(zhì)及其研究進(jìn)展石墨烯的電學(xué)性質(zhì)及其研究進(jìn)展 第三組Page 2 石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的電學(xué)性質(zhì)石墨烯的電學(xué)性質(zhì)石墨烯電學(xué)性能的研究進(jìn)展石墨烯電學(xué)性能的研究進(jìn)展目錄目錄Page 3石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的基本知識(shí) 石墨烯的概念石墨烯的概念石墨烯的概念石墨烯的概念石墨烯的性質(zhì)石墨烯的性質(zhì)石墨烯的性質(zhì)石墨烯的性質(zhì)石墨烯的制備方法石墨烯的制備方法石墨烯的制備方法石墨烯的制備方法石墨烯發(fā)展簡史石墨烯發(fā)展簡史石墨烯發(fā)展簡史石墨烯發(fā)展簡史Page 41 1、石墨烯概念、石墨烯概念 石墨烯是由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨）的基本單元，具有極好的結(jié)晶性、力學(xué)性能和電學(xué)質(zhì)量。Page 5 石墨烯Page 6 單層石墨烯及其派生物示意圖富勒烯（左）和碳納米管（中）都可以看作是由單層的石墨烯通過某種方式卷成的，石墨（右）是由多層石墨烯通過范德華力的聯(lián)系堆疊成Page 72 2、石墨烯發(fā)展簡史、石墨烯發(fā)展簡史 2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈杰姆和克斯特亞諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過9年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。Page 8 康斯坦丁諾沃肖洛夫 安德烈海姆 Page 93 3、石墨烯的性質(zhì)、石墨烯的性質(zhì)機(jī)械特性機(jī)械特性 石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家對石墨烯的機(jī)械特性進(jìn)行了全面的研究。物理學(xué)家們?nèi)裟苤迫〕龊穸认喈?dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯，則需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。Page 10 電子的相互作用電子的相互作用 科學(xué)家利用“先進(jìn)光源（ALS）”電子同步加速器觀測發(fā)現(xiàn)：石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強(qiáng)烈的相互作用?；瘜W(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) 類似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子。電子運(yùn)輸電子運(yùn)輸 碳原子有四個(gè)價(jià)電子，這樣每個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)未成鍵的電子，電子可在晶體中自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的電子運(yùn)輸能力。Page 11 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中電子的運(yùn)動(dòng)速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。故石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。石墨烯能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。Page 124 4、石墨烯的制備方法、石墨烯的制備方法物理方法：物理方法：從具有晶格完備性的石墨或者類似的材料來獲得，獲得的石墨烯尺度都在80 nm以上。-機(jī)械剝離法、取向附生法、加熱SiC法、爆炸法?；瘜W(xué)方法：化學(xué)方法：通過小分子的合成或溶液分離的方法制備的，得到石墨烯尺度在10 nm以下。-石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學(xué)法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、氧化石墨還原法、球磨法。Page 13微機(jī)械剝離法微機(jī)械剝離法 -直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。最早用于制備石墨烯的物理方法。在1mm厚的高定向熱解石墨表面進(jìn)行干法氧等離子刻蝕，然后將其粘到玻璃襯底上，接著在上面貼上1m 厚濕的光刻膠，經(jīng)烘焙、反復(fù)粘撕，撕下來粘在光刻膠上的石墨片放入丙酮溶液中洗去，最后將剩余在玻璃襯底上的石墨放入丙醇中進(jìn)行超聲處理，從而得到單層石墨烯。微機(jī)械剝離法制備石墨烯過程Page 14液相或氣相直接剝離法液相或氣相直接剝離法 通常直接把石墨或膨脹石墨（EG）加在某種有機(jī)溶劑或水中，借助超聲波、加熱或氣流的作用制備一定濃度的單層或多層石墨烯溶液。溶劑熱剝離法制備石墨烯Page 15取向附生法取向附生法 -利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯。讓碳原子在 1150下滲入釕，然后冷卻到850，之前吸收的大量碳原子就會(huì)浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子布滿了整個(gè)基質(zhì)表面，最終它們可長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋 80%后，第二層開始生長。底層的石墨烯會(huì)與釕產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片。含碳的釕單晶在超高真空環(huán)境下經(jīng)高溫退火處理可以使碳元素向晶體表面偏析形成外延單層石墨烯薄膜Page 16加熱加熱 SiCSiC法法 -通過加熱單晶6H-SiC脫除Si，在單晶面上分解出石墨烯片層。經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至12501450后恒溫1min20min，從而形成極薄的石墨層。Page 17氧化石墨氧化石墨-還原法還原法 將天然石墨與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化性物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨(GO)，經(jīng)過超聲分散制備成氧化石墨烯(單層氧化石墨)，加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團(tuán)，得到石墨烯。該方法是目前較為常見的低成本、高效地制備大面積石墨烯薄層材料的化學(xué)方法，可廣泛應(yīng)用于光電池和電化學(xué)裝置等領(lǐng)域。GOPage 18化學(xué)氣相沉積法（化學(xué)氣相沉積法（CVDCVD）反應(yīng)物質(zhì)在相當(dāng)高的溫度、氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，制得固體材料。韓國成均館大學(xué)研究人員在硅襯底上添加一層非常薄的鎳(厚度 300nm)，然后在甲烷、氫氣與氬氣混合氣流中加熱至1000，再將其快速冷卻至室溫，即能在鎳層上沉積出610 層石墨烯。通過此法制備的石墨烯電導(dǎo)率高、透明性好、電子遷移率高。CVD法制備石墨烯示意圖Page 19電化學(xué)法電化學(xué)法 -電化學(xué)氧化石墨棒制備石墨烯。將兩個(gè)高純的石墨棒平行地插入含有離子液體的水溶液中，控制電壓在10-20 V，30min后陽極石墨棒被腐蝕，離子液體中的陽離子在陰極還原形成自由基，與石墨烯片中的電子結(jié)合，形成離子液體功能化的石墨烯片，最后用無水乙醇洗滌電解槽中的黑色沉淀物，60干燥2h，得到石墨烯。制備的石墨烯片層大于單原子層厚度。Page 20石墨烯的電學(xué)性質(zhì)石墨烯的電學(xué)性質(zhì)Page 21石墨烯的電學(xué)性質(zhì)石墨烯的電學(xué)性質(zhì)石墨烯的電學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ)石墨烯的電學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ) 電子結(jié)構(gòu) 電子傳輸能帶、量子霍爾效應(yīng)、隧穿效應(yīng)以及其他效應(yīng)能帶、量子霍爾效應(yīng)、隧穿效應(yīng)以及其他效應(yīng) 單層石墨烯 雙層石墨烯石墨烯納米帶石墨烯納米帶Page 22石墨烯的電學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ)碳原子基態(tài)電子結(jié)構(gòu)為：1s22s22p2。石墨里，每個(gè)碳原子采取sp2雜化，形成3個(gè)鍵，剩下一個(gè)p電子。這些電子可以在整個(gè)碳原子平面上自由移動(dòng)。電子結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)Page 23石墨烯的電學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ)電子傳輸電子傳輸石墨烯高導(dǎo)電率的原因:（1）石墨烯電子通過六角形蜂窩狀晶格傳輸后，有效質(zhì)量消耗為零；（2）電子被限制在單原子層厚內(nèi)傳輸,近似視為高k介質(zhì)、超導(dǎo)體和鐵磁體等；（3）在原子級粗糙的吸收層襯底上，覆蓋的石墨烯電子在亞微米距離內(nèi)傳輸不發(fā)生散射；（4）石墨烯電子有效質(zhì)量為零，沒有散射；（5）石墨烯是一種禁帶寬度幾乎為零的半金屬/半導(dǎo) 體材料，具有半金屬特性。Page 24石墨烯的理論研究第一：石墨烯是迄今為止世界上強(qiáng)度最大的材料，據(jù)測算如果用石墨烯制成厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；第二：石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。Page 25 石墨烯的理論研究石墨烯納米帶雙層石墨烯單層石墨烯N=1的石墨烯為單層石墨烯，目前對單層石墨烯電學(xué)性能的研究最為成熟。N=2的石墨烯為雙層石墨烯，它可以看成是介于石墨烯和石墨這兩個(gè)極端狀態(tài)之間的一個(gè)中間態(tài)。納米尺度下，碳材料的電子性質(zhì)很強(qiáng)的依賴于它的尺寸和幾何結(jié)構(gòu)，對于石墨烯納米帶而言，其呈現(xiàn)出新奇的電子性質(zhì)。Page 26單層石墨烯-原子結(jié)構(gòu)碳原子價(jià)電子軌道示意圖(a-c)一個(gè)2s軌道上的電子被激發(fā)到2pz 軌道上，另一個(gè)2s 電子與2px，2py 上的電子通過sp2 雜化形成三個(gè)雜化軌道。每一個(gè)碳原子可以和周圍的三個(gè)碳原子結(jié)合在平面上形成三個(gè)鍵。另外一個(gè)2pz 電子在垂直于平面的方向形成鍵;(d)布里淵區(qū)狄拉克點(diǎn)處導(dǎo)帶和價(jià)帶結(jié)構(gòu)。Page 27單層石墨烯-原子結(jié)構(gòu)上（左）圖為石墨烯晶體簡化結(jié)構(gòu)，石墨烯一個(gè)晶胞中包含兩個(gè)不等價(jià)的碳原子A和B，其中a1，a2為晶格矢量；（右）圖為石墨烯的第一布里淵區(qū)示意圖，其中b1，b2為倒格矢量，K（K）M 和是高對稱點(diǎn)。Page 28單層石墨烯-原子結(jié)構(gòu)晶格矢量可以寫作：倒格矢量可以寫作：K和K叫做狄克拉點(diǎn)：狄克拉點(diǎn)在石墨烯電子輸運(yùn)性質(zhì)中的重要性等同于在有能隙的半導(dǎo)體布里淵區(qū)的點(diǎn)，石墨烯絕大部分重要的特性都是與相對狄克拉點(diǎn)只有很小動(dòng)量的載流子緊密相關(guān)的。Page 29單層石墨烯-能帶結(jié)構(gòu)緊束縛近似模型緊束縛近似模型利用緊束縛近似去討論石墨烯中電子的能帶結(jié)構(gòu)，緊束縛方法（TB）第一次由F.Bloeh在1929年提出，其中心思想就是用原子軌道的線性組合來作為一組基函數(shù)，由此求解固體的薛定諤方程。這個(gè)方法是基于這樣的物理圖像，即認(rèn)為固體中的電子態(tài)與其組成的自由電子態(tài)差別不大。在緊束縛方法中，由于原子軌道處在不同的格點(diǎn)上，有它們組成的基函數(shù)一般是非正交的。因此，必然會(huì)遇到多中心積分的計(jì)算問題，而且本征方程的形式也不簡單。Page 30單層石墨烯-能帶結(jié)構(gòu)石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu)最早是由Wallace在1947年計(jì)算出來的。Wallace通過緊束縛近似，考慮了最近鄰原子和次近鄰原子之間的躍遷作用，計(jì)算出的石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)。單層石墨烯二維緊束縛能帶結(jié)構(gòu)圖（僅考慮最近鄰原子之間的相互作用，右邊放大部分為K 附近線性的色散關(guān)系）上面的帶形成了導(dǎo)帶，下面的帶則形成了價(jià)帶，導(dǎo)帶和價(jià)帶在布里淵區(qū)的六個(gè)Dirac點(diǎn)接觸，并且每一個(gè)Dirac點(diǎn)附近都形成一個(gè)錐形的谷。Page 31單層石墨烯-能帶結(jié)構(gòu)在考慮次近鄰躍遷的情況下，根據(jù)石墨烯的能量色散圖和緊束縛能帶結(jié)構(gòu)圖分析。單層石墨烯能量色散關(guān)系圖（實(shí)線是鄰和次近鄰原子相互作用；虛線表示考慮最近鄰原子相互作用的情況）次近鄰格點(diǎn)的引入并沒有破壞狄拉克點(diǎn)，也就是說在這些狄拉克點(diǎn)處導(dǎo)帶低和價(jià)帶頂仍然是簡并的。很明顯考慮次近鄰原子相互作用之后，狄拉克點(diǎn)有向下移動(dòng)的趨勢，這是因?yàn)槲覀冋J(rèn)為次近鄰原子之間電子的躍遷能量是負(fù)的原因。Page 32單層石墨烯-能帶結(jié)構(gòu)單層石墨烯二維緊束縛能帶結(jié)構(gòu)圖（考慮最近鄰和次近鄰原子之間的相互作用。右邊放大部分為K附近線性的色散關(guān)系）我們發(fā)現(xiàn)次近鄰原子的引入，破壞了能帶結(jié)構(gòu)的對稱，此時(shí)導(dǎo)帶和價(jià)帶不再是對稱的，主要是因?yàn)榇谓徳拥囊胂喈?dāng)于引入了晶格格點(diǎn)軌道能級，因此近鄰格點(diǎn)的引入使得狄拉克點(diǎn)相應(yīng)發(fā)生移動(dòng)。Page 33單層石墨烯-能帶結(jié)構(gòu)Dirac Dirac 方程方法方程方法石墨烯能帶結(jié)構(gòu)中價(jià)帶全部被填充而導(dǎo)帶全空，因此石墨烯費(fèi)米能級剛好處在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間。又因?yàn)閷?dǎo)帶和價(jià)帶在狄拉克點(diǎn)處是簡并的，費(fèi)米能級處在狄拉克點(diǎn)附近。對于電子輸運(yùn)而言，電子的輸運(yùn)性質(zhì)主要取決于費(fèi)米面處的附近的電子，因此對于石墨烯體系而言，狄拉克點(diǎn)處附近的電子決定著電子的輸運(yùn)性質(zhì)，因此我們有必要對狄拉克點(diǎn)處的電子行為進(jìn)行討論。它不能用傳統(tǒng)的薛定諤方程來描述，必須由Dirac方程來描述。Page 34單層石墨烯-能帶結(jié)構(gòu)狄克拉電子的性質(zhì)狄克拉電子的性質(zhì)對于石墨烯而言，狄拉克點(diǎn)處電子的行為類似于介質(zhì)中的光子或者是聲學(xué)聲子。K（K）點(diǎn)附近載流子的有效質(zhì)量為零，速度接近光速，呈現(xiàn)出相對論的特性。在K（K)點(diǎn)附近的電子性質(zhì)應(yīng)該用狄克拉方程進(jìn)行描述。Page 35石墨烯-量子霍爾效應(yīng)石墨烯的反常量子霍爾效應(yīng)石墨烯的反常量子霍爾效應(yīng)石墨烯中Dirac方程一個(gè)很重要的應(yīng)用就是考慮在有均勻外磁場下，Dirac電子的朗道能級以及量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)是二維電子氣在強(qiáng)磁場下表現(xiàn)出的一種奇特量子效應(yīng)。當(dāng)二維電子氣處在強(qiáng)磁場下時(shí)，其連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)就會(huì)分裂為獨(dú)立的量子能級所謂的朗道能級。也正是這個(gè)特殊的朗道能級的存在才導(dǎo)致了石墨烯中反常的量子霍爾效應(yīng)。Page 36石墨烯-量子霍爾效應(yīng)(a)正常量子霍爾效應(yīng),(b)石墨烯反?；魻柫孔有?yīng)Page 37石墨烯-量子霍爾效應(yīng)石墨烯的量子霍爾效應(yīng)（小圖為雙層石墨烯的量子霍爾效應(yīng)）量子霍爾效應(yīng)由于其具有宏觀表現(xiàn)，因此一直以來備受科學(xué)界關(guān)注，但是對于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體二維異質(zhì)結(jié)中，只能在低溫時(shí)才能觀察到霍爾效應(yīng)，這主要在于朗道能級之間的間距不能小于熱激活能。當(dāng)朗道能級之間的間距小于熱激活能時(shí)，大量電子在朗道能級附近發(fā)生振蕩從而可以忽略朗道能級之間的間隔，也就是說我們可以認(rèn)為電子是連續(xù)分布的，因此破壞了電導(dǎo)率或者是電阻率的量化屬性。Page 38石墨烯-Klein隧穿在實(shí)驗(yàn)上觀測到石墨烯的電子有高達(dá)150000 cm2/Vs的遷移率，與硅的電子遷移率1400 cm2/Vs相比，高出了整整兩個(gè)數(shù)量級，而且這么高的遷移率在溫度從50K到500K的區(qū)域之間變化都不大。正因?yàn)檫@些優(yōu)良的輸運(yùn)性質(zhì)，很多人都預(yù)言未來的半導(dǎo)體材料很可能是石墨烯而不是硅。在實(shí)驗(yàn)樣品中不可避免會(huì)有各式各樣的雜質(zhì)存在，這些雜質(zhì)作為散射勢中心，會(huì)對經(jīng)過它周圍的電子產(chǎn)生散射作用，從而從宏觀上會(huì)大大地影響材料的輸運(yùn)性質(zhì)，但是事實(shí)上我們卻看到石墨烯材料居然會(huì)有如此之高的電子遷移率，究其根源，是因?yàn)樵谑┲械腄irac電子存在所謂的向后散射缺失。Page 39石墨烯-Klein隧穿石墨烯的向后散射缺失當(dāng)電子碰到處在x=0處的散射勢時(shí)，如果其y方向的動(dòng)量Py0時(shí)，電子可以折一個(gè)彎曲的路徑散射回去；但如果其Py=0，那它就不可能散射回去了，這就是所謂的向后散射缺失。當(dāng)一個(gè)電子遇到一個(gè)比它能量還要高的勢壘它將毫無障礙地穿過整個(gè)勢壘。這種現(xiàn)象，就是所謂的Klein隧穿。Page 40石墨烯-Klein隧穿(a)相對論Dirac電子通過一個(gè)電勢壘模型圖(b)傳統(tǒng)半導(dǎo)體中的電子遂穿示意圖在經(jīng)典物理的情況下，一個(gè)能量較低的電子不可能穿過一個(gè)能量較高的勢壘；在量子力學(xué)的情況下，電子是有一定的幾率（但并非百分之百）穿越比它能量高的勢壘的。但Klein隧穿說，根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)，一個(gè)相對論性的電子將能夠以百分之百的幾率穿越比它能量高的勢壘，因?yàn)樗趧輭局凶兂闪怂姆戳Ｗ?。Page 41石墨烯-Andreev反射除了n p結(jié)外，介觀輸運(yùn)中另一種很重要的結(jié)就是正常金屬-超導(dǎo)體（N S）結(jié)。在這種結(jié)的界面，會(huì)發(fā)生一種效應(yīng)：電子從正常金屬區(qū)間入射到界面，除了發(fā)生通常的電子反射和透射外，由于超導(dǎo)體中存在電子配對，電子還可能會(huì)將另外一個(gè)電子拽入超導(dǎo)體中形成Cooper對，并在正常金屬區(qū)間留下一個(gè)空穴，即還會(huì)有空穴的反射和透射效應(yīng)。這種電子-空穴的轉(zhuǎn)化效應(yīng)就是所謂的Andreev效應(yīng)。Andreev效應(yīng)在低能情況下對電子的穿透幾率有顯著的貢獻(xiàn)，在極端情況下甚至能將電子的穿透幾率變成百分之二百。Page 42石墨烯-Andreev反射石墨烯能帶結(jié)構(gòu)中的電子和空穴元激發(fā)，它們能通過Andreev反射相互轉(zhuǎn)換石墨烯能帶中的電子和空穴元激發(fā)，其中電子元激發(fā)處在一個(gè)比費(fèi)米能量EF高的態(tài)上，空穴元激發(fā)則是處于比EF低的態(tài)上，電子和空穴都是位于導(dǎo)帶。Page 43雙層石墨烯從某種程度上講，石墨烯和石墨（graphite）可以看成同一體系的兩種極端狀態(tài)，這個(gè)體系就是N層碳原子單層通過在z軸方向進(jìn)行Bernal堆積而構(gòu)成的系統(tǒng)：N=1對應(yīng)的是石墨烯，而N趨于很大對應(yīng)的就是石墨。N=2時(shí)，就是雙層石墨烯，它可以看成是介于石墨烯和石墨這兩個(gè)極端狀態(tài)之間的一個(gè)中間態(tài)。在雙層石墨烯中，每個(gè)元胞包含四個(gè)原子，分別是位于上層的A1和B1原子，位于下層的A2和B2原子。雙層石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)Page 44雙層石墨烯雙層石墨烯的能帶雙層石墨烯很容易打開一個(gè)能隙，只需要在上下層之間加一個(gè)靜電壓雙層石墨烯系統(tǒng),這種簡單使用外場就可以打開一個(gè)能隙的特點(diǎn)與單層石墨烯截然不同。不加偏壓的雙層石墨烯的載流子元激發(fā)與單層石墨烯的有些類似，在低能情況下都可以看成無質(zhì)量的手征費(fèi)米子。兩者不同僅僅在于單層石墨烯的載流子能譜是能量正比于動(dòng)量，而雙層石墨烯的載流子則是能量正比于動(dòng)量的平方，與傳統(tǒng)材料電子的能譜相同。Page 45雙層石墨烯-量子霍爾效應(yīng)對于兩層的石墨烯，其載流子表現(xiàn)為有質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子，零能級處朗道能級的簡并度為2，當(dāng)費(fèi)米能級穿過零能級朗道能級時(shí)，霍爾電導(dǎo)就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)量子平臺(tái)的跳躍，霍爾電導(dǎo)平臺(tái)出現(xiàn)在1，,2，3，4e2/h處，表現(xiàn)為整數(shù)霍爾量子效應(yīng)。雙層石墨烯的量子霍爾效應(yīng)Page 46石墨烯納米帶-基本概念石墨烯納米帶：是某一個(gè)方向?yàn)橛邢蕹叽绲膸钍Y(jié)構(gòu),即為典型的準(zhǔn)一維系統(tǒng)，是按照一定方向切割成條帶狀得石墨烯。石墨烯本身是一種導(dǎo)電性非常好的金屬，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體要求材料的導(dǎo)電性可通過外界操控。切割成石墨帶的目的是在金屬性的石墨帶結(jié)構(gòu)上打開帶隙，使其導(dǎo)電性質(zhì)可由外界調(diào)控。Page 47石墨烯納米帶-分類納米帶分為三類：椅型邊納米帶鋸齒邊納米帶螺旋邊納米帶Page 48石墨烯納米帶-應(yīng)用以單壁碳納米管為代表的納米電子學(xué)有著優(yōu)異的電特性，帶存在著問題：大規(guī)模生產(chǎn)中如何保證碳納米管電學(xué)性質(zhì)的可控性、一致性，如何在集成電路中對大量的碳納米管進(jìn)行操縱等。石墨烯量子結(jié)構(gòu)無缺陷、體積小，有良好的量子尺寸效應(yīng)。在微納電子器件、光電子器件、自旋量子器件以及新型復(fù)合材料方面有著廣泛的應(yīng)用前景。石墨烯電學(xué)性能的研究進(jìn)展石墨烯電學(xué)性能的研究進(jìn)展Page 50石墨烯電學(xué)性能的研究進(jìn)展石墨烯電學(xué)性能的研究進(jìn)展石墨烯在鋰離子電池電極材料中的應(yīng)用石墨烯在鋰離子電池電極材料中的應(yīng)用石墨烯在鋰離子電池電極材料中的應(yīng)用石墨烯在鋰離子電池電極材料中的應(yīng)用石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用石墨烯作為超級電容器的研究石墨烯作為超級電容器的研究石墨烯作為超級電容器的研究石墨烯作為超級電容器的研究石墨烯在半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用石墨烯在半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用石墨烯在半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用石墨烯在半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用石墨烯在觸摸屏中的研究石墨烯在觸摸屏中的研究石墨烯在觸摸屏中的研究石墨烯在觸摸屏中的研究Page 511.1.石墨烯在鋰離子電池電極材料中的應(yīng)用石墨烯在鋰離子電池電極材料中的應(yīng)用2010年，中國科學(xué)院大連化物所的研究人員在惰性氣氛中采用熱膨脹氧化石墨的方法制備了高質(zhì)量的石墨烯薄片材料，并將之應(yīng)用于二次鋰離子電池，獲得了較高的能量密度。通過改變充、放電電流的大小，該電池也表現(xiàn)出了較好的功率性能。Page 521.1.石墨烯在鋰離子電池電極材料中的應(yīng)用石墨烯在鋰離子電池電極材料中的應(yīng)用Yang等巧妙地構(gòu)建了一種新奇的基于石墨烯的納米結(jié)構(gòu)，有效提高了該材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的功率性能。此電極材料在小電流充、放電時(shí)的表現(xiàn)并不十分突出，但在大電流（10C）充、放電時(shí)表現(xiàn)出十分優(yōu)異的性能，比容量達(dá)到了200mAh/g并表現(xiàn)出較好的功率性能。Page 532.2.石墨烯在半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用石墨烯在半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用A.A.石墨烯基發(fā)光二極管石墨烯基發(fā)光二極管 韓國首爾國立大學(xué)的研究人員在多層石墨烯上密排的ZnO納米棒為過渡層生長了高質(zhì)量的GaN外延薄膜，制備獲得了發(fā)光二管，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了將這些功能器件向玻璃、金屬、塑料等不同襯底的轉(zhuǎn)移，如圖所示。這種器件既展示了GaN半導(dǎo)體的發(fā)光特性，同時(shí)利用了石墨烯的電學(xué)與機(jī)械特性，為后續(xù)電子學(xué)與光電學(xué)器件的集成設(shè)計(jì)提供了靈活的思路。(a)石墨烯襯底上薄膜LED制備與轉(zhuǎn)移示意圖；(b)LED在原襯底和轉(zhuǎn)移到玻璃、金屬和塑料襯底上的發(fā)光照。Page 542.2.石墨烯在半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用石墨烯在半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用 基于石墨烯透明、導(dǎo)電的特性，北京大學(xué)的研究人員將其應(yīng)用于有機(jī)電致發(fā)光器件，制備了如圖所示多層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，獲得了較高的發(fā)光效應(yīng)。這一研究結(jié)果表明，石墨烯可作為良好的有機(jī)發(fā)光的陽極材料，器件的性能可望通過優(yōu)化石墨烯的導(dǎo)電性、透光性等進(jìn)一步提升。A.A.石墨烯基發(fā)光二極管石墨烯基發(fā)光二極管以石墨烯為陽極的有機(jī)發(fā)光二極管：(a)結(jié)構(gòu)示意圖，(b)電致發(fā)光光譜Page 552.2.石墨烯在半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用石墨烯在半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用B.B.石墨烯基太陽能電池石墨烯基太陽能電池石墨烯作為一個(gè)二維結(jié)構(gòu)的薄膜電極具有不少優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)電特性與光學(xué)特性可通過層數(shù)變化、摻雜等進(jìn)行調(diào)控，非常平整的表面有利于功能層的組裝。作為一個(gè)有益的嘗試，清華大學(xué)的研究人員，以石墨烯作陽極，在n-Si上了制備肖特基結(jié)太陽能電池，如圖所示。石墨烯-硅太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖、器件照片及光電流電壓曲線Page 563.3.石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用A.A.石墨烯基納米發(fā)電機(jī)石墨烯基納米發(fā)電機(jī) 韓國研究人員采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備了大面積的石墨烯，并通過摻雜等方法實(shí)現(xiàn)了電學(xué)特性（如功函數(shù)、電阻率等）的調(diào)控。在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步將石墨烯用于納米發(fā)電機(jī)的制備，基本過程如圖所示。首先在鍍Ni的硅片襯底上采用CVD 技術(shù)生長了面積達(dá)5.08cm的石墨烯，再將其剝離并轉(zhuǎn)移到軟性的聚合物襯底上，形成一個(gè)電極，然后在石墨烯電極上用水熱法生長定向排列的ZnO 陣列，再覆蓋一層石墨烯形成另一電極。這就構(gòu)成了一個(gè)可完全卷曲的納米發(fā)電機(jī)的原型器件。Page 573.3.石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用這兩張圖給出了這個(gè)納米發(fā)電機(jī)輸出電流的極性，并比較了卷曲前后的電流輸出情況，可以看出這種可軟性的納米發(fā)電機(jī)在卷曲后仍具有很好的電流輸出。Page 58B.B.場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（FETFET）3.3.石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用 在石墨烯眾多的電子器件應(yīng)用當(dāng)中，場效應(yīng)晶體管(Field-Effect Transistors:FET)是其代表之一。制作體積更小，頻率更高，運(yùn)算速度更快的晶體管是當(dāng)前微電子研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，也是進(jìn)一步延續(xù)摩爾定律的重要保證。石墨烯因其超薄結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的物理特性，在FET 應(yīng)用上展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和誘人的應(yīng)用前景。Page 593.3.石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用B.B.場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（FETFET）Lin 等人制備出柵長為350nm 的高性能石墨烯FET,其載流子遷移率2700cm2/(Vs)，截止頻率為50GHz，并在后續(xù)研究中進(jìn)一步提高到100GHz。Page 603.3.石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用B.B.場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（FETFET）石墨烯應(yīng)用于晶體管等器件中的主要困難和挑戰(zhàn)：石墨烯應(yīng)用于晶體管等器件中的主要困難和挑戰(zhàn)：（1）由于石墨烯的本征能隙為零，并且在費(fèi)米能級處其電導(dǎo)率不會(huì)像一般半導(dǎo)體一樣降為零，而是達(dá)到一個(gè)最小值，這對于制造晶體管是致命的,因?yàn)槭┦冀K處于“開”的狀態(tài)。（2）帶隙為零意味著無法制作邏輯電路。Page 613.3.石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用B.B.場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（FETFET）解決方法：解決方法：摻雜改性摻雜改性和和形貌調(diào)控形貌調(diào)控 NatureNanotechnology 評論明確指出：要深入挖掘石墨烯的優(yōu)異物理特性，以制備高性能石墨烯FET，其重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵之一是獲得寬度與厚度(即層數(shù))可控的高質(zhì)量石墨烯帶狀結(jié)構(gòu)。帶狀石墨烯因其固有而獨(dú)特的狹長“扶椅”或“之”狀邊緣結(jié)構(gòu)效應(yīng)、量子限域效應(yīng)而具有豐富的能帶結(jié)構(gòu)，其能隙隨著石墨烯的寬度減小而增大，且和石墨烯的厚度密切相關(guān)，成為石墨烯FET 溝道材料的理想選擇。Page 624.4.石墨烯作為超級電容器的研究石墨烯作為超級電容器的研究 超級電容器是一個(gè)高效儲(chǔ)存和傳遞能量的體系，它具有功率密度大、容量大、使用壽命長、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種能源領(lǐng)域。石墨烯具有理論比表面積高達(dá)2630m2/g、優(yōu)異的導(dǎo)電性能和穩(wěn)定性等，作為電容器材料具有比單壁和多壁碳納米管更優(yōu)異的性質(zhì),使其有望成為超級電容器的理想電極材料，其性能與石墨烯的質(zhì)量、層數(shù)和比表面積直接相關(guān)。Page 634.4.石墨烯作為超級電容器的研究石墨烯作為超級電容器的研究Wang 等人通過肼還原氧化石墨烯得到的石墨烯在含水電解質(zhì)溶液中的比電容可高達(dá)205F/g，經(jīng)過1200 次的試驗(yàn)后其比電容還仍達(dá)到原來的90%，其石墨烯電容器如圖所示。(a)石墨烯超級電容器裝置原理圖；(b)產(chǎn)業(yè)級硬幣狀的石墨烯超級電容器光學(xué)圖Page 644.4.石墨烯作為超級電容器的研究石墨烯作為超級電容器的研究吳忠?guī)浀炔捎萌苣z凝膠法和低溫處理方法設(shè)計(jì)合成了一種水合氧化釕/石墨烯復(fù)合超級電容器電極材料，研究表明具有較高的比容量(570F/g)和優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性(1000 次循環(huán)后容量保持率為97.9%)。石墨烯表面可以形成雙電層，有利于電解液的擴(kuò)散，因此基于石墨烯的超級電容器具有良好的功率特性。氧化釕/石墨烯復(fù)合材料的制備過程Page 655.5.石墨烯在觸摸屏中的研究石墨烯在觸摸屏中的研究 2010年，韓國研究人員首次制造出了由多層石墨烯和玻璃纖維聚酯片基底組成的柔性透明觸摸屏屏。在彎曲的玻璃纖維聚酯板上制造出石墨烯，是制造出更加堅(jiān)硬、廉價(jià)以及更加柔韌的透明電子器件的第一步。研究人員表示，從理論上來講，人們可以卷起手機(jī)，然后像鉛筆一樣將其別在耳后。Page 665.5.石墨烯在觸摸屏中的研究石墨烯在觸摸屏中的研究 2012年1月8日，江南石墨烯研究院對外發(fā)布，全球首款手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏在常州研制成功。該成果經(jīng)上?？茖W(xué)技術(shù)情報(bào)研究所和廈門大學(xué)查新，顯示為國內(nèi)首創(chuàng)，國外尚處于研發(fā)和概念機(jī)階段。該項(xiàng)目攻克了能滿足手機(jī)用觸摸屏工藝要求的石墨烯薄膜制備技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了大尺寸、高均勻、高導(dǎo)電、高透光的石墨烯薄膜的連續(xù)制備；展示了石墨烯薄膜透明電極材料所獨(dú)特的性能優(yōu)勢，良好的商業(yè)價(jià)值和廣闊的市場前景；石墨烯薄膜的使用，拓寬了未來柔性電子顯示器件和柔性太陽能電池等產(chǎn)品開發(fā)的商業(yè)化空間。釕釕Page 67總總 結(jié)結(jié) 石墨烯由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，在實(shí)驗(yàn)研究方面展示出了重大的應(yīng)用前景。然而，要想使石墨烯材料產(chǎn)品化，真正為人們所用，必須能夠得到大面積、高質(zhì)量的石墨烯。雖然科學(xué)家已經(jīng)在此方面做了很多努力，但仍無法實(shí)現(xiàn)其工業(yè)生產(chǎn)，因而，關(guān)于石墨烯的合成方法研究仍是一個(gè)研究熱點(diǎn)。此外，科學(xué)家們將更多關(guān)注如何通過化學(xué)的方法對其進(jìn)行修飾，進(jìn)一步提高其各方面性能，促進(jìn)器件化、工業(yè)化、商品化的進(jìn)程。謝謝觀賞謝謝觀賞