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石墨烯 碳家族中又一种性质独特的新材料 唐军 ba08231010 一 石墨烯的独特性质及应用二 石墨烯的制备和表征三 我们目前的工作 一 石墨烯的独特性质 石墨烯 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 厚度仅为头发的20万分之一 是构建其他维数碳质材料 如零维富勒烯 一维纳米碳管 三维石墨 的基本单元 石墨烯的理论研究已有60多年的历史 被广泛用来描述不同结构的碳质材料的性能 20世纪80年代 科学家们开始认识到石墨烯可以作为 2 1 维量子电动力学的理想理论模型 但一直以来人们普遍认为这种严格的二维晶体结构由于热力学不稳定性而难以独立稳定存在 直到2004年 英国曼彻斯特大学的novoselov等利用胶带剥离高定向石墨的方法获得了独立存在的二维石墨烯晶体 为二维体系的实验研究提供了广阔的空间 并发现石墨烯载流子的相对论粒子特性 从而引发了石墨烯研究的 淘金热 graphene viaadhesivetape novoselovetal science306 666 2004 二 石墨烯的理论研究价值 石墨烯中存在着丰富而新奇的物理现象 具有重要理论研究价值 石墨烯是零带隙半导体 独特的载流子特性是其备受关注的重要原因之一 在凝聚态物理领域 材料的电学性能常用薛定谔 schr dinger 方程描述 而石墨烯的电子与蜂窝状晶体结构周期势的相互作用产生了一种准粒子 即零质量的狄拉克 费米子 masslessdiracfermions 具有类似于光子的特性 在低能区域适合于采用含有有效光速 vf 106m 1s 1 的 2 1 维狄拉克方程来精确描述 因此 石墨烯的出现为相对论量子力学现象的研究提供了一种重要手段 近年来在石墨烯的电学性能研究中发现了多种新奇的物理现象 包括两种新型的量子霍耳效应 零载流子浓度极限下的最小量子导电率 e2 h 量子干涉效应的强烈抑制以及石墨烯p n结界面的电流汇聚特性等 最近 novoselov等观察到石墨烯具有室温量子霍耳效应 将原来的温度范围扩大了10倍 进一步证实了石墨烯独特的载流子特性和优异的电学质量 石墨烯的应用前景 1 石墨烯在纳电子器件方面的应用2005年 geim研究组 3 与kim研究组 4 发现室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率 10000cm2v 1s 1 并且受温度和掺杂效应的影响很小 表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性 300k下可达0 3 m 这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势 使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能 较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间 thz超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势 此外 与目前电子器件中使用的硅及金属材料不同 石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环仍能保持很好的稳定性和电学性能 使探索单电子器件成为可能 最近 geim研究组利用电子束光刻与干刻蚀的方法将同一片石墨烯加工成量子点 引线和栅极 获得了室温下可以操作的石墨烯基单电子场效应管解决了目前单电子场效应管由于纳米尺度材料的不稳定性所带来的操作温度受限问题 geimak novoselovks theriseofgraphene naturematerials 2007 6 183 191 荷兰科学家则报道了第一个石墨烯基超导场效应管 发现在电荷密度为零的情况下石墨烯仍然可以传输一定的电流 可能为低能耗 开关时间快的纳米尺度超导电子器件带来突破 heerschehb jarillo herrerop oostingajb vandersypenlmk morpurgoaf bipolarsupercurrentingraphene nature 2007 446 56 59 与一维纳米材料相比 石墨烯基电子器件的显著优势是整个电路 包括导电通道 量子点 电极 势垒 分子开关及联结部件等 可在同一片石墨烯上获得 有可能避免一维材料基器件中难以实现的集成问题 目前 ibm intel等公司已相继投入巨资开展石墨烯在纳电子器件方面的应用探索 2 石墨烯的其它潜在应用 随着石墨烯低成本 大规模制备技术的发展 许多应用也相继出现 并越来越受到重视 其中 复合材料是石墨烯有望最快得到应用的方向之一 由于大的表面 体积比和高导电性 石墨烯另一诱人的应用是作为电池电极材料以提高电池效率 石墨烯具有优异的氢气吸附特性 可望在储氢材料领域得到应用 例如 2006年ruoff研究组 7 在nature上报道了第一个石墨烯基复合材料 其渗流阈值与纳米碳管聚苯乙烯复合材料相当 并具有高导热性和高强度等特点 可望制成导电塑料用于太阳能电池板或计算机中的散热部件 最近 该研究组利用流体定向方法将离散的氧化石墨烯组装成高强度 高硬度 高韧性的纸状材料 图6 为其在超级电容器 分子存储材料以及性能可控的渗透膜等方面的应用奠定了基础 8 此外 由于原子尺度的厚度 优异的电学质量 极其微弱的自旋 轨道耦合超精细相互作用的缺失以及电学性能对外场敏感等特性 石墨烯还可望在场发射材料 量子计算机以及超灵敏传感器等领域获得广泛应用 如schedin等 9 利用石墨烯制成了第一个可以精确探测单个气体分子的化学传感器 极大提高了微量气体快速检测的灵敏性 研究还发现 高灵敏性来自于石墨烯电学上的低噪音特性 因此还可用于外加电荷 磁场以及机械应力等的敏感检测 graphene easytomake hardtofind 制备方法 目前有四种方法制备石墨烯 轻微摩擦法或撕胶带法化学分散法热氧化法加热sic的方法 运用这种方法 目前获得的石墨烯尺度可以达到100微米左右 z osva th graphenelayersfromthermaloxidationofexfoliatedgraphiteplatescarbon45 2007 3022 3026 据naturematerials编辑的按语预测 这种方