石墨烯的负阻抗原理

1、毫米波理论与技术作业报告石墨烯负阻抗工作机理石墨烯负阻抗工作机理一石墨烯的简介目前为止，人们对石墨烯（单层石墨烯片）的理论研究已经将近七十多年；但以往的理论研究都给出结论：室温下由于平面二维晶体结构的热力学性质的不稳定，因此很容 易分解，无法长期存在于无限的二维体系中；科学界一致认为：二维晶体结构无法在非绝对 零度下稳定存在。2004年，英国曼彻斯特大学Andre Geim和Kostya Novoselov的团队成员利用简单机 械剥离方法成功的从石墨晶体获得单层的石墨烯，并通过原子力显微镜对其进行实验性研究; 研究表明，常温条件下存在结构稳定的二维晶体。这一发现推翻了原有维持了几十年的结论，

2、震惊了当时的科学界。二石墨烯的结构石墨烯是低维介质碳的同素异形体中的一种，其它还有富勒烯，碳纳米管、纳米纤维、 钻石和金刚石等，它是一种由碳原子以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，它与无限大的芳香族分子相似。由于石墨烯的二维特征， 因此可以采用石墨烯包裹成0维的富勒烯，也可以卷成1维的碳纳米管，还可以折叠成三 维的石墨块。碳元素作为有机化合物和生物的基本元素，是自然界和日常生活中普遍存在的重要而独 特的物质。而石墨烯作为一种碳的同素异形体，具有众多卓越而独特的性质。自2004年发 现以来，石墨烯已经成为了凝聚态物理学、材料科学和电子学等领域的一个重要

3、研究热点。 由于具有超高室温截流子迁移率和可剪裁加工的特性，石墨烯已经成为未来纳米电子器件的 重要候选材料。石墨烯作为二维碳纳米材料，具有可剪裁加工特性；经过精细加工，石墨烯可以被切割 成各种形状，形成各种结构，比如一维的石墨烯纳米条带，零维的石墨烯量子点。对于不同 边缘原子形状、不同宽度和不同结构的石墨烯纳米条带，它们呈现出不同的电子特性，有的 还表现出了特异的电学特性；对于某些特殊形状的量子点，点内电子的总自旋不为零；这些 特性都揭示了石墨烯在微电子器件中的潜在应用。石墨作为一种半金属性材料，能带的边界在布里渊区出现交叠，使电子能在带与带、层 与层之间传输，当石墨的层数减少到仅有单层时，能

4、带变为单点交叠的方式，且由电子完全 占据的价带和由空穴完全占据的导带关于这些交叠点他和K）完全对称。图1 Graphene的能带结构在石墨烯领域，研究最深的是其电学性质。石墨烯具有最出色的导电性能，超高的载流 子迁移率远远超过了普通导体的载流子迁移率，厚度只有一个碳原子，大概为0.34nm，却 有金刚石一样的强度性能，这使得它可以应用于航天材料的制造，也可以制造无比坚韧的防 弹衣，甚至是太空电梯缆线。三石墨烯器件的研究纳米管的发现及科研成果极大的促进了科学界对碳基材料研究的兴趣；受此启发，对石 墨烯的研究成为热点。与碳纳米管一样，作为碳的同素异形体，石墨烯也具有很多优异的电 学特性，可以用来制

5、作高性能的电子元器件产品?在制作复杂电路时，与碳纳米管苛刻的筛 选与定位相比，石墨烯则可以更容易的实现。石墨烯具有超高电子迁移率与极低的电阻率， 因此其功耗也相当低，而它又是一个良好的导热体，其特性基本不会随温度变化，因此，石 墨烯是制造高性能电子元器件最佳材料。用石墨烯器件制成的计算机工作频率可以达到太赫 兹级别，即1KHZ的1000倍，可以用于生产超级计算机；除了在计算机方面的应用，石 墨烯器件还可应用于有高速工作要求的通信技术和成像技术.另外，石墨烯分割成一个个纳 米小片时，其基本物理性能不会改变，而且部分特殊的结构其电子性能还有可能异常发挥? 随着现代科学技术与器件制备工艺的进步，很多

6、关于石墨烯的纳米结构器件被制造出来，这 些纳米器件也表现出了石墨烯的优异特性。四石墨烯负阻抗的工作机理负微分电阻特性是现代电子器械中最有趣的物理特性。一些碳基纳米材料也被提出应用 的负微分电阻器件上，如碳纳米管和石墨烯纳米带。人们从石墨烯中获取碳链时，发现碳链 和石墨烯连接的末端原子并不稳定，它沿着石墨烯的边界碳原子移。人们还从理论上计算了 碳链被调制的AGNR结的负微分电阻效应。在此主要基于两种碳链石墨烯结的负微分电阻效 应进行讨论。2.0 r宣ME2.0 r宣ME(0时石墨烯晶体管输出特性的定性图形已有大量的实验给出了石墨烯晶体管的I-V转移曲线和输出曲线，图4为FrankSchwierz

7、 在Nature发表的综述中对输出曲线定性分析的情况。该图对应的是顶栅施加正向偏压的情 况。当漏极电压VD很小时，晶体管工作于线性区，沟道为n型，即沟道区为电子积累的情 况，表征图中的Region I；增大漏端电压VD，源漏电流ID随之增加，直至VD达到漏源电压 临界值VDS,crit时，晶体管进入饱和状态，即图中的Region II；当VD的电压值超过VDS,crit 时，沟道靠近漏端的导电类型逐渐从n型转为p型，靠近漏端处为空穴积累，晶体管进入第 二个线性区Region III；不同顶栅电压的ID-VD输出曲线在VD较大时可能会出现交叠的情况， 出现零跨导，甚至出现负跨导情形。这一奇特的情形是