神奇的石墨烯

神奇的石墨烯背景2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(AndreK.Geim)等制备出了石墨烯。纯净的石墨烯是一种只有一个原子厚的结晶体，具有超薄(一个原子厚度)、超坚固和超强导电性能(电子通过率几乎达到100％)等特性。石墨烯在被研制成功并首次公布后，立即成为材料学和物理学领域的研究热点，科学界认为石墨烯极有可能取代硅而成为未来的半导体材料，具有非常广阔的应用前景。斯德哥尔摩2010年10月5日电瑞典皇家科学院5日宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·K·海姆和康斯坦丁·沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。近几年来，石墨烯以其独特的结构和优异的性能，在化学、物理和材料学界引起了轰动。石墨烯的历史理论到实验的历程1947年,提出石墨烯的概念,理论探讨(电子结构和线性频散关系):P.R.Wallace,Thebandtheoryofgraphite,Phys.Rev.71,622-634,1947）1956年,建立石墨烯的激发态的波动方程:J.W.McClure,DiamagnetismofGraphite,PhysicalReview,104,666-671,19561984年,该方程与Dirac方程的相似性被发现:G.W.Semenoff,Condensed-mattersimulationofathree-dimensionalanomaly,PhysicalReviewLetters53,2449-2453,1984;以及,D.P.DiVincenzo&E.J.Mele,Self-consistenteffective-masstheoryforintralayerscreeningingraphiteintercalationcompounds,PhysicalReviewB,29,1685-1694,19841999年,提出实验方法,但是没有做成功:X.K.Lu,M.F.Yu,H.Huang,andR.S.Ruoff,TailoringGraphitewiththeGoalofAchievingSingleSheets,Nanotechnology,10,269-272,19992004年,用该方法,得到稳定的石墨烯片:K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,andA.A.Firsov,ElectricFieldEffectinAtomicallyThinCarbonFilms,Science306,666-669,2004;随后的一系列实验进一步证实及扩充有关的研究成果:K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,M.I.Katsnelson,I.V.Grigorieva,S.V.Dubonos,andA.A.Firsov,Two-dimensionalgasofmasslessDiracfermionsingrapheme,Nature,438,197-200,2005Y.B.Zhang,Y.W.Tan,H.L.Stormer,andP.Kim,ExperimentalobservationofthequantumHalleffectandBerry'sphaseingraphene,Nature,438,201-204,2005K.S.Novoselov,D.Jiang,F.Schedin,T.J.Booth,V.V.Khotkevich,S.V.Morozov,andA.K.Geim,Two-dimensionalatomiccrystals,ProceedingsofthenationalacademyofsciencesofunitedstatesofAmerica,102,10451-10453,2005I.I.Barbolina,K.S.Novoselov,S.V.Morozov,S.V.Dubonos,M.Missous,A.O.Volkov,D.A.Christian,I.V.Grigorieva,andA.K.Geim,Submicronsensorsoflocalelectricfieldwithsingle-electronresolutionatroomtemperature,Appliedphysicsletters,88,013901,2006E.W.Hill,A.K.Geim,K.Novoselov,F.Schedin,andP.Blake,Graphenespinvalvedevices,IEEETransactionsonmagnetics,42,2694-2696,20062005年后,有关研究爆炸性增长.背景:对得到单原子层的膜片,给出不乐观结果的有关实验研究:H.P.Boehm,A.Clauss,U.Hofmann,andG.O.Fischer,ZeitschriftFurNaturforschung,B17,150,1962A.VanBommel,J.Crombeen,andA.VanTooren,SurfaceScience,48,463,1975I.Forbeaux,J.Themlin,andJ.Debever,PhysicalReviewB,58,16393,1998C.Oshima,A.Itoh,E.Rokuta,andT.Tanaka,Solidstatecommunications,116,37,2000对比:其它方法的进步:1975年,A.VanBommel,J.Crombeen,andA.VanTooren,SurfaceScience,48,463,19751998年,I.Forbeaux,J.Themlin,andJ.Debever,PhysicalReviewB,58,16396,1998在知道能制成稳定的石墨烯片后,用上面两篇论文方法（有点改进）,给出:2004年,C.Berger,Z.M.Song,T.B.Li,X.B.Li,A.Y.Ogbazghi,R.Feng,Z.T.Dai,A.N.Marchenkov,E.H.Conrad,P.N.First,andW.A.deHeer,JournalofPhysicalChemistryB,108,19912,2004(W.A.deHeer,C.Berger,andP.N.First,石墨薄片器件及方法专利).得到稳定的石墨烯片在基础理论上的意义:1929年,针对二维Dirac方程,O.Klein提出隧穿效应:O.Klein,ZPhys.,53,157,19292006年,Katsnelson,Geim,和Novoselov提出可以用石墨烯来检验Klein隧穿效应:M.I.Katsnelson,K.S.Novoselov,andA.K.Geim,NaturePhysics,2,620,20062009年,得到证实:A.F.Young&P.Kim,NaturePhysics,5,222,2009用石墨烯测量分数量子Hall效应,精细结构常数,等:R.R.Nair,P.Blake,A.N.Grigorenko,K.S.Novoselov,T.J.Booth,T.Stauber,N.M.R.Peres,andA.K.Geim,Science,320,1308,2008石墨烯的性质石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种炭质新材料，碳原子排列与石墨的单原子层一样。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0．335nm，厚度仅为头发的20万分之一，是构建其他维数炭质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元，具有极好的结晶性及电学质量和非凡的电子学、热力学和力学性能。尽管石墨烯只有一个碳原子厚度，并且是已知材料中最薄的种。然而却非常牢固坚硬，它比钻石还强硬。石墨烯内原子中六个电子因在同一个轨道面上绕核运转，这原子便结构简单紧凑半径小。这半径很小的原子由其侧间的强引力连结成的原子片（石墨烯）便似网孔很小的鱼网，其面的比重所以很大。石墨烯因由碳原子四侧之强引力即碳-碳键连结而成，拉伸它的阻力便是这原子四侧的强引力；因拉伸要涉及石墨烯中全部原子四侧的强引力，其阻力就必特别的大，所以石墨烯拉伸强度特大，其强度比世界上最好的钢铁还高100倍。石墨烯也是目前已知导电性能最出色的材料，其电子的运动速度达到了光速的1／300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。此外，石墨烯还具有许多优异的性能：如较高的杨氏模量(～1100GPa)、热导率(～5000W·In-1·K-1)、较高的载流子迁移率(2X105cm2V-1s-1)、巨大的比表面积(理论计算值2630m2g-1)、铁磁性等等。这些优越的性质及其特殊的二维结构使得科学家认为石墨烯拥有非常美好的发展前景。石墨烯潜在的应用价值也随着研究的不断进行而逐步得到了体现。由于具有原子尺寸的厚度，优异的电学性质，极其微弱的自旋一轨道耦合，超精细相互作用的缺失以及电学性能对外场敏感等特性，石墨烯可望在纳米电子器件、电池／超级电容、储氢材料、场发射材料以及超灵敏传感器等领域得到广泛的应用。石墨烯良好的导电性，使其在微电子领域具有巨大的应用潜力，可用来制造具有超高性能的电子产品。由于平面的石墨烯晶片很容易使用常规技术进行加工，这为制造纳米器件提供了很大的灵活性，甚至可能在一层石墨烯单片上直接加工出各种半导体器件和互连线，从而获得具有重大应用价值的全碳集成电路。以石墨烯为原料还可以制备出只有1个原子厚、10个原子宽，尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。这种纳米晶体管具有其他晶体管所没有的一些优越性能：比如石墨烯具有较高的稳定性，即使被切成1纳米宽的元件，其导电性也很好，且随着晶体管尺寸的减小，其性能却越好；同时，该纳米电子晶体管在室温下也可以正常工作。这些优越的性能使得人们朝着制造可靠的纳米级超小型晶体管的方向迈出了重要一步。石墨烯也可以作为超级电容器元件中储存电荷的新型碳基材料。由于石墨烯的理论比表面积能达到了2630m2／g，这就意味着电解液中大量的正负离子可以储存于石墨烯单片上形成一个薄层，从而达到极高的电荷储存水平。该石墨烯超级电容器有望可以显著改善电力及混合动力交通工具的效率和性能，甚至日常的办公用复印机、移动电话等等。利用石墨烯可以制成精确探测单个气体的化学传感器，从而可以提高一些微量气体快速检测的灵敏性，而石墨烯在电子学上的高灵敏性还可用于外加电荷，磁场及机械应力等环境下的敏感检测。此外，石墨烯良好的机械性能、导电性及其对光的高透过性使其在透明导电薄膜电极和各种柔性电子器件的应用中独具优势，比如可以用在液晶显示以及太阳能电池等领域。最近，在Nature，Science等一些杂志中也相继报道了石墨烯常温下的量子霍尔效应117以w。量子霍尔效应(QuantumHallEffect，QHE)是在低温、高磁场下二维金属电子气体中发现的效应，即纵向电压和横向电流的比值(霍尔常数RH=V／I=h／ve2，h／e2为量子化电阻率)是量子化。通常情况下，QHE需要在低温下实现，一般低于液氦的沸点。之前观察到QHE的温度还没有超过30K。在石墨烯中，由于石墨烯载流子非比寻常的特性，表现得像无质量的相对论粒子(无质量的迪拉克费米子)，并且在周围环境下载流子的迁移伴随着很少的散射，因而石墨烯的QHE可以在室温下被观察到。GeimAK等人就在300K的条件下观察到了石墨烯的QHE。除了整数霍尔效应外，由于石墨烯特有的能带结构，也导致了新的电子传导现象的发生，如分数量子霍尔效应(即v为分数)。随着研究的不断深入，石墨烯其他一些奇特的性能也相继被发现：比如石墨烯具有较好的导电性能，然而其边缘的晶体取向却对石墨烯的电性能有着相当重要的影响：锯齿型边缘表现出了强边缘态，而椅型边缘却没有出现类似情况。尺寸小于10nm、边缘主要是锯齿型的石墨烯片表现出了金属性，而不是先前预期的半导体