搜索
石墨烯(Graphene)introduce石墨烯（Graphene）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。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安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，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”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。电子显微镜下石墨烯薄片Property石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比碳纳米管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子的移动速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯的另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。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。参阅前面能带结构图，科学家很早就察觉，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这引至电子和空穴的有效质量都等于零。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。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，载子从空穴变为电子，从电子变为空穴。石墨烯的能带结构石墨烯的制备•2008年，由机械剥离法制备得到的石墨烯乃世界最贵的材料之一，截面尺寸微小的样品需要花费$1,000/cm2。渐渐地，随着制备程序的规模化，成本降低很多。现在，公司行号能够以公吨为计量单位来买卖石墨烯。换另一方面，生长于碳化硅表面上的石墨烯晶膜的价钱主要决定于基板成本，在2009年大约为$100/cm2。使用化学气相沉积法，将碳原子沉积于镍金属基板，形成石墨烯，浸蚀去镍金属后，转换沉积至其它种基板。这样，可以更便宜地制备出尺寸达30英寸宽的石墨烯薄膜。常用制备方法•撕胶带法/轻微摩擦法•碳化硅表面外延生长•金属表面生长•氧化减薄石墨片法•石墨的声波处理法•肼还原法•乙氧钠裂解•切割碳纳米管法等潜在应用•石墨烯晶体管•透明导电电极•太阳能电池•感光元件•超级电容器•石墨烯生物器件•抗癌治疗•集成电路等柔性显示屏石墨烯晶体管感光元件GrapheneinSemiconductors•一个理想的微电子材料需要：(1)易于在大面积的衬底上生长，过程不产生危害物，能够与现有的硅基技术相容。(2）与衬底介电材料之间能形成稳定的界面，缺陷浓度小，不会影响界面附近半导体中载流子的输运(3）和金属栅极之间的接触电阻较小(4）最最重要的一点，足够好的热导率、迁移率以及一个合适的能隙宽度。这些特性决定了该器件的频率和开关电流比。石墨烯的优势•石墨烯的电子迁移率异常之高而有效质量接近于0得益于其费米面附近独特的狄拉克锥形能带结构。•石墨烯的热导率在封装之后相比于硅表现并不差狄拉克锥形示意图缺陷•石墨烯在费米面附近几乎没有形成能隙，从而石墨烯制成的MOSFET只能开启无法关闭。目前的办法有通过刻蚀法制成石墨带或者堆叠形成双层石墨烯外加垂直方向电场形成能隙。但其开关比不高。•目前还无法大面积生产，纯度不高。•石墨烯作为一种二维纳米材料，必须考虑其量子效应。但从技术层面说，量子效应的调制意味着原子级操作，想把量子效应调制成需要的状态，难度很大。双层石墨烯外加垂直电场打开能隙结论•目前来看，石墨烯在电子工业界的地位更可能是硅的辅佐，而不是竞争对手，利用其优异的力学、热学和电学性质可以在硅基半导体工业中扮演散热器、透明电极、衬底材料等角色。硅的霸主地位从70年代以来就受到了III-V族GaAs、碳纳米管等的挑战，但没有一个把它打败过，短时间来看石墨烯有进一步挖掘的潜力，硅的地位还能继续保持下去。