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凝聚态理论课程学期作业对2010年诺贝尔物理学奖（石墨烯）的个人总结 1308405020 贾子源1308405003 周志康1、 原始论文总结 量子电动力学(量子力学和相对论结合的产物)已经给出了各种现象的清晰的解释，涉及从粒子物理学到宇宙学和从天体物理学到量子化学的领域。以量子电动力学为基础的思想也影响了凝聚态理论。但是在已有的实验系统中,量子相对论效应通常是极小的，它们都可以用非相对论薛定谔方程精确地描述。这篇文章报道了一种由狄拉克(相对论)方程描述其电子输运的凝聚态系统(石墨烯,即碳单原子层)的实验研究。石墨烯中的载流子相当于静止质量为零的相对论粒子。并且具有等效光速。他们的文章研究揭示了二维狄拉克费米子特有的现象。特别地，他们还观察到了如下现象。第一，石墨烯的电导率从没有低于一个最小值，即使载流子的浓度趋近于零。这个最小值相当于电导率的量子单元。第二，石墨烯中的整数量子霍尔效应发生反常，其填充因子是半整数。第三.石墨烯中无质量的载流子的回旋质量 由方程 描述。此二维系统不仅其本身相当有趣，它还使实验人员从实验平台上进入微妙丰富的量子电动力学的物理世界。 石墨烯是碳原子以密排蜂窝状晶体结构排列的单层。它可以看作是从石墨中抽取的一个单独的原子平面，或者是展平的单壁碳纳米管，也可以是一个巨大平坦的富勒烯分子。这种材料曾被认为不会以自由状态存在，直到最近才从实验上进行研究。他们采用原创过程得到了石墨烯样品，涉及到对石墨的微机械分裂，接着结合使用光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜鉴定和选择单层石墨烯。将选择的石墨烯薄膜进一步加工成多端器件。接着进行标准微细加工。尽管只有一个原子厚度，也没有与环境隔离，他们的石墨烯器件在环境条件下很稳定，并且载流子显示出高迁移率。之后他们集中讨论了理想(单层)石墨烯的物理性质，与超薄的石墨薄膜(它是半金属，最近其性质也得到了研究)甚至由两层石墨烯组成的器件相比，它具有不同的电子结构，从本质上显示出不同的性质。 对该实验的第一点进行简单补充：图1 显示了石墨烯的电场效应。它的电导率随着门电压Vg的增大而线性增大对于Vg 为正负极性都是如此，并且在Vg0 时霍尔系数改变符号。这个行为说明正(负)门电压产生了可观的电子(空穴)浓度。在远离Vg0 的过渡区，霍尔系数RH1/ne 随着1/Vg 而变化，其中n 是电子或空穴浓度，e 是电子电荷。线性依赖关系1/RHVg 使我们得出n=Vg ，其中，与电场效应引起的电荷面密度的理论估算相符合，说明所有感应电荷都是可移动的，在石墨烯中不存在束缚电荷。 受到他们对石墨薄膜的研究工作的启发，之后需两个理论课题组已经预言了石墨烯中的半整数量子霍尔效应，但是目前没有在实验中观察到。这个效应是单粒子效应，暗示了与无质量狄拉克费米子难以捉摸的性质有关，特别是在零能级处类电子和类空穴的朗道状态的存在。后者可以认为是量子场论和超弦理论中的重要定理AtiyahSinger指数定理的直接结果。对于二维的无质量狄拉克费米子，这个定理从具有相反手性的状态数的不同和通过系统的总磁通量(磁场可以是不均匀的)的联系上确保了在E=0处的朗道状态的存在。 如上所述，石墨烯表现出了由狄拉克方程而非薛定谔方程描述的二维粒子气的独特的电子性质。我们的工作展现了在凝聚态实验中研究量子场理论的一系列现象的可能性。二、获奖原因： 1.海姆和他的同事采用了用粘胶带从石墨体材料剥离的简单方法第一次从石墨中制备了石墨烯。将石墨薄片粘贴到胶带上，并多次重复这个过程可以获得越来越薄的石墨薄片。再把胶带溶解于溶剂中。就得到只有10个原子层的超薄石墨薄片。在几周内他的团队开始用这种材料制作未来的晶体管。随着这种技术的提高，薄片就变得越来越薄，最终制得了一些单层的石墨烯。 他们于当年2004年10月在科学周刊上发表题为“Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films”的论文。立刻掀起了凝聚态物理学和材料科学领域的风暴，在世界范围内兴起了对于石墨烯理论与实验研究热潮。据统计，这篇文章已成为材料物理领域引用率最高的文章。他们的研究成为了重要的奠基石。 2.石墨烯不仅具有许多极端的优异的性能和巨大的应用潜力，而且其特殊的性质还是开展有关基础物理领域科学问题研究的理想平台。 石墨烯最令人激动的特性是其优异的电学输运性能。在许多材料中。电子输运可用非相对论的薛定谔方程精确描述。但石墨烯的行为表现为零带隙半导体，其中的电子行为就像无质量的相对论粒子。这些电子因此可用自旋12粒子的狄拉克方程很好描述。实验测得石墨烯中电子迁移率在室温下非常高。大于15000厘米2(伏秒)。石墨烯中载流子的高迁移率使之可以用作超快电子晶体管的通道。据估计这样的石墨烯晶体管的运行速度可以比目前使用的硅晶体管快1000倍。由于硅在电子器件中的应用已快速接近其物理极限。寻找替代材料已变得日益迫切。石墨烯的热力学稳定性以及其平面二维结构使得制作石墨烯的纳米电子器件变得相对容易。科学家认为，石墨烯制造的晶体管有可能最终替代有的硅材料。成为未来的超高速计算机的基础材料。晶体管的尺寸越小，其性能越好。硅材料在10纳米的尺度上已开始不稳定而石墨烯可以将晶体管尺寸极限向下拓展到一个分子大小。因此。石墨烯将使得摩尔定律得以延续，并有望带来下一次电子技术革命。除了让计算机运行得更快，石墨烯器件还能广泛应用于需要高速工作的通信技术和成像技术。如高频领域的太赫兹成像，它可以探测出隐藏的武器。在石墨烯中，电子在费米能级附近服从线性色散关系其行为和以非常接近光速运动的相对论粒子的行为相似。这种独特和令人惊讶的特性使得物理学家能够利用石墨烯来研究相对论和量子力学现象，而在其他材料中开展这类研究几乎不可能。在将来，科学家有可能在基于石墨烯的、尺寸只有桌面大小的仪器设备上开展相对论量子力学的实验。这样不需要结构复杂、体积庞大、价格昂贵的粒子加速器和对撞机等大科学装置。就可能发现和展示量子物理世界许多丰富而新奇的物理现象。除了优异的电学性能外石墨烯同时还表现出优异的力学、热学和光学性能。石墨烯的断裂强度是42牛米，是最强钢铁的断裂强度的100倍以上。石墨烯的六角晶胞包含两个碳原子，面积0052纳米2，密度为077毫克米2，1平方米石墨烯的重量为077毫克。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子氦原子也无法穿透。用石墨烯制成的1平方米的吊床能承受一只约4千克猫的重量，而吊床的重量不到l毫克(近似猫的一根胡须)。石墨烯的光吸收率仅为23。几乎完全透明，所以悬挂的石墨烯没有任何颜色。石墨烯的热导率由声子传导为主，测量值近似为5000瓦，(米开)，而铜在室温的热导率是401瓦(米开)，因此石墨烯的热导率是铜的10多倍。 石墨烯的独特性能使其具有非常诱人应用前景。它可用于制造透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池。在塑料中掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性：加入千分之一的石墨烯能使塑料的