石墨烯在微电子技术上的应用

石墨烯在微电子上的应用 班级 光信1102组长 王光宇主讲 张林君成员 汤君泽王兴智邹佳峻马海锋陈明猷张林君 理学院光信息1102 什么是石墨烯石墨烯的优良特性用石墨烯构建的微电子器件石墨烯的制备方法石墨烯的应用前景 目录 理学院光信息1102 一 什么是石墨烯 石墨烯 Graphene 是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料 由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜 只有一个碳原子厚度的二维材料 Sp2杂化碳质材料的基本组成单元 石墨烯原子结构图 一 什么是石墨烯 石墨烯一直被认为是假设性的结构 无法单独稳定存在 直至2004年 英国曼彻斯特大学物理学家AndreGeim和KonstantinNovoselov 成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯 而证实它可以单独存在 两人也因 在二维石墨烯材料的开创性实验 共同获得2010年诺贝尔物理学奖 石墨烯内部的原子键 二 石墨烯的优良特性 优良特性 1 导热系数高导热系数高达5300W m K 高于碳纳米管和金刚石 2 电子迁移率高常温下电子迁移率高达150000 超过单晶硅100倍以上 3 电阻率低电阻率低只约10 6 cm 比铜或银更低 为世上已知电阻率最小的材料 二 石墨烯的优良特性 4 透明度高几乎是完全透明的 只吸收2 3 的光 透光率达到97 7 预测未来的透明电脑 全透明概念手机 二 石墨烯的优良特性 5 高可挠曲性石墨烯具有延展性 具备极佳之可挠曲性 非常符合未来软性电子产品的应用 屏幕弯曲的手机 曲折手机 6 硬度大石墨烯的硬度是钢材的200倍 显然具有非常强的耐用度 7 电池寿命长美国西北大学的研究人员已经成功研发出石墨烯和硅材质的电池 充电15分钟可以实现约一周的续航能力 如果未来手机可以使用石墨烯电池 那么可能实现一周一充电的愿望 二 石墨烯的优良特性 三 用石墨烯构建的微电子器件 年 公司率先制成低噪声石墨烯晶体管 通过重叠2层相当于石墨单原子层的 石墨烯 试制成功了新型晶体管 通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合 从而控制噪声 年 月美国乔治亚科技学院德希尔与麻省理工学院林肯实验室合作在单一芯片上生成的几百个石墨烯晶体管阵列 四 用石墨烯构建的微电子器件的特点 高速 与传统硅晶体制成的期间相比 石墨烯表面优良的电子迁移速度是硅的上百倍 加上石墨烯本身就是一个良好的导热体 可以很快地散发热量 由于具有如此优异的性能 由石墨烯制造的电子产品运行的速度要快得多 并且产生的热量小的多微小化 硅不能分割成小于 的小片 否则其将失去诱人的电子性能 与硅相比 石墨烯分割成一个纳米小片时 其基本物理性能并不改变 而且其电子性能还有可能异常发挥 五 石墨烯的制备方法 石墨烯材料的制备方法已报道的有 机械剥离法 晶体外延生长法 氧化还原法 化学气相沉积法 有机合成法和碳纳米管剥离法等 氧化还原法 氧化 还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨 经过超声分散制备成氧化石墨烯 单层氧化石墨 加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团 如羧基 环氧基和羟基 得到石墨烯 优点 制备成本低廉且容易实现 以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯的最佳方法 并且可以制备稳定的石墨烯悬浮液 解决了石墨烯难以分散在溶剂中的问题 缺点 大量制备容易带来废液污染和制备的石墨烯存在一定的缺陷 例如 五元环 七元环等拓扑缺陷或存在 OH基团的结构缺陷 这些将导致石墨烯部分电学性能的损失 使石墨烯的应用受到限制 五 石墨烯的制备方法 化学气相沉积法最先由美国休斯顿大学的于庆凯等在镍 Ni 基底上取得突破 随后铜 Cu 上生长石墨烯也取得了突破 铜也被认为是一种最有潜力用来工业化规模生长石墨烯的基底 随着研究的深入更多的过渡金属都生长出了石墨烯 这些基底包括Ru Pt Co Ir Ga Pd Mo Ge等石墨烯的化学气相沉积法通常是把有催化功能的基底在腔体中加热到1000 然后通入含碳气体 如 碳氢化合物 它在高温下分解脱氢在基底表面形成石墨烯 通过轻微的化学刻蚀 使石墨烯薄膜和基底分离得到石墨烯薄膜 这种薄膜在透光率为80 时电导率即可达到1 1 106S m 成为透明导电薄膜的潜在替代品 化学气相沉积法 六 石墨烯的应用前景 六 石墨烯的应用前景 1 石墨烯在透明电极的应用 透明电极泛指在可视光区域内同时具备高光透过率 85 以上 与低电阻率 1 10 3 以下 特性的氧化简并型 Degenerate 半导体电极 透明电极目前主要使用在显示领域的LCD OLED PDP 透明显示器的电极材料 在触控面板领域则被使用在电阻及电容式触控面板的感测器 六 石墨烯的应用前景 ITO 导电玻璃 透明电极 ITO作为触控屏的主要组件 触控屏中占极高成本 ITO为目前主流透明电极 虽然成熟 但有许多挑战须克服 石墨烯透明电极可用以解决现有技术与制造的瓶颈 提高效能并发展新的应用 其经济潜力及价值无可限量 六 石墨烯的应用前景 石墨烯的优势与劣势 在成本及使用范围上 石墨烯有许多优势石墨烯虽然目前仍无法达到ITO导电度 但已可以满足触控面板的需求 六 石墨烯的应用前景 2 石墨烯在太阳能电池上的应用 2012年5月24日报导 美国的研究人员在实验室中创建了一种新型掺杂石墨烯的太阳能电池 获得了8 6 的太阳能转换效率 石墨烯又不同于传统的金属 它可弯曲 又是透明的 在未来作为太阳能电池的关键材料具有很大的潜力 技术突破口 提高转化效率 降低生产成本如果石墨烯太阳能电池能够达到10 的转换效率 生产成本能够进一步降低 未来使用石墨烯太阳能电池大有希望 六 石墨烯的应用前景 3 石墨烯在光子传感器上的应用 石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上 2012年10月 IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器 这种传感器是用于检测光纤中携带的信息 这个角色过去一直由硅担当 现在看来硅的