石墨烯在基础物理学教学中的应用

石墨烯在基础物理学教学中的应用

1石墨烯的生产科学家们预测，目前使用的工艺和硅基半夏材料（芯片的集成度从18个月到2年会提高一倍，即切割线的宽度从一半缩短到一半）的开发道路已经接近终点。然而，英国科学家发明的新战舰延长了摩尔定规律的使用寿命，这艘订单可能会成为新的高速计算机芯的突破。此外，该晶体的材料是由单原子层形成的石墨烯。什么是石墨烯？这种传统的二维晶体为信息时代带来了新的革命力量？。2关于石墨烯的研究2.1维石墨烯晶体的制备在石墨烯被发现之前,理论和实验都认定严格的二维晶体因为热力学不稳定而无法存在,原子单层只能作为三维结构的基本组成单位而非独立存在.然而,至2004年,原先盛行的观点被动摇了,英国曼彻斯特大学的Geim和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(图1),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”.2.2单层二维蜂窝状晶体结构这里我们引用“nature”中对石墨烯的定义: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,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(图2).其名字来源于Graphi-te(石墨)+Ene(烯),石墨本身就是由众多石墨烯层层堆积而成的.2.3石墨烯的特性在本文中我们将石墨烯的特性归为4类:电学特性;热力学性质;力学性质和光学性质.其独特的电学性质是我们重点介绍的.(1)石墨烯的载流子特性石墨烯的电学性质与大多传统三维结构的材料有巨大的区别.典型的石墨烯是半金属、零带隙半导体.在二维六边形Brillouin角的六个角附近的低能区域,其E-k关系是线性的.E=■EuclidExtrahApvF⋅K2x+K2y−−−−−−−√(vFE=■EuclidExtrahApvF⋅Κx2+Κy2(vF是费米速度,约一百万米每秒).从而形成了零有效质量的狄拉克-费米子,具有类似光子的特性.从传导实验得出的测量结果显示石墨烯具有非常高的载流子迁移率(室温下超过15000cm2·V-1·s-1,远甚于在硅中传导的速度)更突出的是这样的高迁移率受温度和化学腐蚀影响的程度很小.另一方面,石墨烯的电阻率比银还小,因而是地球上室温下电阻率最小的材料.(2)热属性当电子通过石墨烯时,其热振动效应微弱.并且它具有高导热性,传导方式是声子主导的.(3)关于石墨烯的厚度据在哥伦比亚大学开展的研究,石墨烯目前是人类所认知强度最大的材料.举个例子:如果能制作出厚度相当于塑料包装袋(厚度约100nm)的石墨烯,那么需要施加约两万N的压力才能将其扯断.这意味着石墨烯比钻石还要坚硬.(4)光学属性石墨烯的特殊电学性质产生了其意想不到的高度不透明性,这一个只有一个原子大小厚度的晶体竟然可以用肉眼看见.2.4石墨烯的潜在应用特殊的性质自然产生了特殊的应用价值,石墨烯的潜在应用价值巨大.许多科学家估计石墨烯将取代硅基半导体.1石墨烯基材料谈到应用,石墨烯基电子器件首当其冲.这是因为目前大部分的努力都集中于这个方向上.像Intel和IBM这样的企业也投入相当一笔资金用于研发,因为在以硅为基础的科技逐步走向终点的同时,任何可能取代硅的材料都会相当受欢迎,并且石墨烯似乎是一个特别突出的选择.原因在于,在石墨烯中,即使受到高强度的电学和化学影响,其依然能保持高载流子迁移率,使石墨烯成为在室温、亚微米尺度下进行弹道传输的材料.由于其优秀的电学性质,石墨烯吸引了高科技人员建造弹道传输晶体管的兴趣.在2008年,世界上最小的晶体管(图3)诞生了,它由石墨烯构成,厚度为一个原子直径,宽度为10个原子直径.这一成就在开发石墨烯基电子器件和超高速计算机的道路上有着重大意义.2其他应用其他应用(1)氢储存材料石墨烯具有优异的氢气吸附性,也许将来它能为缓解能源危机做出贡献.(2)进展之一:高速高效电池的开发这一应用目前已经是石墨烯主要市场之一,其巨大的面积对体积之比以及高导电性可以提高电池的利用效率,取代目前高性能现代电池中碳纤维的地位.(3)环保材料复合材料的应用相当广泛,如石墨烯在导电塑料中的应用.(4)气体勘探传感器以石墨烯作为材料的传感器如今是世界上第一个探测到单气体分子的传感器.3石墨烯研发的价格分析只有当商业产品出现后才可以对应用的实际性做出肯定的判断.目前石墨烯是世界上最贵的材料之一,一个只能置于人类头发丝横截面上的样品,其价格超过1000美元(2008年4月).但是当制作工艺改进后价格会大幅度下降.从石墨烯被报道发现至今已经有4年的时间,尽管进步迅速,我们所认知的还只是冰山一角.但现有的研究方向已经证明:石墨烯不是一个迅速消逝的“科学时尚”,它将凭借其得天独厚的性质为我们带来新的物理前沿广阔的应用.随着石墨烯技术的发展,相信在未来的某一天,我们可以将一所图书馆的资料存入一粒芝麻大的微型计算机中.4主动研究,激发兴趣学习“双语物理导论”这门课程后,我们认识到要尽早锻炼研究能力与搜索信息的能力.通过撰写课程论文和演示报告,我们在合作学习的过程中得到的不仅仅是知识,更学会了