碳纳米材料与技术论文报告-石墨烯电光性质.doc

石墨烯的电光性质龙（磁学与超导 上海）随着对石墨烯的研究的深入，石墨烯经历了艰难的寻找制备手段，到现在的丰富的制备方法，目前比较热门的制备方法有，撕胶带法/轻微摩擦法，最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来；碳化硅表面外延生长，该法是通过加热单晶碳化硅脱除硅，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层；金属表面生长，主要是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯；氧化减薄石墨片法，即石墨烯也可以通过加热氧化的办法一层一层的减薄石墨片，从而得到单、双层石墨烯，等等。对于研究的性质也有很多方面，比如，原结构，电子性质，这里主要是电子传输；光学性质；自旋传输；异常量子霍尔效应；石墨烯氧化物；化学改性；热性能；机械性能等。当然，石墨烯潜在应用也有很多，作为研究磁光方向的研究生，当然关注的是电子性质和光学性质，下面就主要探讨这两个方面。关键字：石墨烯，电子性质，光学性质，磁光1.电子性质下面我先讨论一下电子性质。石墨烯的性质与大多数常见的三维物质不同，纯石墨烯是一种半金属或零能隙半导体。理解石墨烯的电子结构是研究其能带结构的起始点。科学家根据石墨烯能带结构图，很早就察觉，对于低能量电子，在二维的六角形布里渊区的六个转角附近，能量-动量关系是线性关系：，其中，是能量，是约化普朗克常数，是费米速度，与分别为波矢量的x-轴分量与y-轴分量。这引至电子和空穴的有效质量（effective mass）都等于零。1,2因为这线性色散关系，电子和空穴在这六点附近的物理行为，好似由狄拉克方程描述的相对论性自旋1/2粒子。2所以，石墨烯的电子和空穴都被称为狄拉克费米子，布里渊区的六个转角被称为“狄拉克点”，又称为“中性点”。在这位置，能量等于零，载子会从空穴变为电子，从电子变为空穴。电子传输测量结果显示，在室温状况，石墨烯具有惊人的高电子迁移率（electron mobility），其数值超过15,000 cm2V1s1。从测量得到的电导数据的对称性显示，空穴和电子的迁移率应该相等。在10K和100K之间，迁移率与温度几乎无关，3可能是受限于石墨烯内部的缺陷所引发的散射。在室温和载子密度为1012cm2时，石墨烯的声子散射体造成散射，将迁移率上限约束为200000cm2V1s1。与这数值对应的电阻率为106cm，稍小于银的电阻率1.59 106cm。在室温，电阻率最低的物质是银。所以，石墨烯是很优良的导体。对于紧贴在氧化硅基板上面的石墨烯而言，与石墨烯自己的声子所造成的散射相比，氧化硅的声子所造成的散射效应比较大，这约束迁移率上限为40000cm2V1s1。4虽然在狄拉克点附近，载子密度为零，石墨烯展示出最小电导率的存在，大约为数量级。造成最小电导率的原因仍旧不清楚。但是，石墨烯片的皱纹或在SiO2基板内部的离子化杂质，可能会引使局域载子群集，因而容许电传导。有些理论建议最小电导率应该为。但是，大多数实验测量结果为数量级，而且与杂质浓度有关。在石墨烯内嵌入化学掺杂物可能会对载子迁移率产生影响，做实验可以侦测出影响程度。曾经有人将各种各样的气体分子（有些是施体有些是受体）掺入石墨烯，他们发觉，甚至当化学掺杂物浓度超过1012cm2时，载子迁移率并没有任何改变。5另一组实验者将钾掺入处于超高真空（ultra high vacuum）、低温的石墨烯，他们发现钾离子的物理行为与理论相符合，迁移率会降低20倍。假若，将石墨烯加热，除去钾掺杂物，则迁移率降低效应是可逆的。由于石墨烯的二维性质，科学家认为电荷分数化（低维物质的单独准粒子的表观电荷小于单位量子）会发生于石墨烯。因此，石墨烯可能是制造量子计算机所需要的任意子元件的合适材料。2.光学性质最后我们了解一下石墨烯中的光学性质。根据理论推导，悬浮中的石墨烯会吸收的白光；其中是精细结构常数。一个单原子层物质不应该有这么高的不透明度（opacity），单层石墨烯的独特电子性质造成了这令人惊异的高不透明度。更令人诧异的是，这不透明度只与精细结构常数有关，而精细结构常数通常只出现于量子电动力学，很少会在材料学领域找到它。由于单层石墨烯不寻常的低能量电子结构，在狄拉克点，电子和空穴的圆锥形能带（conical band）会相遇，因而产生高不透明度结果。实验证实这结果正确无误，石墨烯的不透明度为，与光波波长无关。但是，由于准确度不够高，这方法不能用来决定精细结构常数的度量衡标准。近来，有实验示范，在室温，通过施加电压于一个双闸极双层石墨烯场效晶体管，石墨烯的能隙可以从0 eV调整至0.25 eV，大约5微米波长。6通过施加外磁场，石墨烯纳米带的光学响应也可以调整至太赫兹频域。73.总结 石墨烯作为一个新型材料，其独特的二维的六角形型结构，使得石墨烯的电子和空穴都可看做狄拉克费米子，六角处能量等于零，载子从空穴变为电子，从电子变为空穴。另外，由于石墨烯的二维性质，使得石墨烯中很可能发生电荷分数化（低维物质的单独准粒子的表观电荷小于单位量子），这样石墨烯就可能是制造量子计算机所需要的任意子元件的合适材料。单层石墨烯的独特电子性质造成了令人惊异的高不透明度；另外，通过施加外磁场，石墨烯纳米带的光学响应也可以调整至太赫兹频域。石墨烯这些独特的电子性质和光学性质，为我们打开了研究物性和新型材料的大门。主要参考文献：1 Wallace, P. R. The Band Theory of Graphite. Physical Review. 1947, 71: 6222 Semenoff, G. W. Condensed-Matter Simulation of a Three-Dimensional Anomaly. Physical Review Letters. 1984,53: 5449.3 Novoselov, K. S.et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature. 2005,438(7065): 1972004 Chen, J. H.et al.,Intrinsic and Extrinsic Performance Limits of Graphene Devices on SiO2, Nature Nanotechnology. 2008,3(4): 2065 Schedin, F.et al. Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene. Nature Mater. 2007,6(9): 6526556 Zhang, Y.et al. Direct observation of a widely tunable bandgap in bilayer graphene. Nature. 11 June 2009,459(7248): 8208237 Junfeng Liu, A. R. Wright,