石墨烯新型的二维碳晶体结构.pdfVIP

中国科技论文在线 石墨烯: 新型的二维碳晶体结构1 张伟，李昕明，王昆林，韦进全，朱宏伟，吴德海 清华大学机械工程系，先进成形制造教育部重点实验室，北京（100084 ） E-mail:hongweizhu@b 摘 要：石墨烯即“单层石墨片”，是碳晶体家族中的一位新成员，具有独特的单原子层二 维晶体结构，集多种优异特性于一身，如超高的载流子迁移率、电导率、热导率、透光性、 强度等。自2004 年发现至今，随着对其结构和性能研究的深入，石墨烯日趋显示出重要的 学术价值和潜在的应用价值。本文从石墨烯的结构出发，阐述了其电学、光学等性能特点， 重点综述了石墨烯制备方法的必威体育精装版进展，对其发展趋势及对相关学科的促进作用进行了评 述。 关键词：石墨烯；碳；二维晶体 1 引言 石墨烯是继碳纳米管之后被发现的又一新型碳纳米材料，它的出现使碳的晶体结构形成 了包括富勒烯(如 C60) 、碳纳米管、石墨烯、石墨和金刚石在内的完整体系，最终建立了从 零维到三维的碳范式。其实，石墨烯作为石墨和碳纳米管的基本结构单元在理论上已被研究 长达60 余年。而直到2004 年，英国曼彻斯特大学的Andre K. Geim 等人[1]才首先采用一种 简单的机械剥离法从高定向热解石墨上将石墨烯成功分离出来，从此开辟了一个崭新的研究 方向。 在短短的五年时间内，仅在Nature 和 Science 上发表的与石墨烯相关的科研论文就 达40 余篇。 2 石墨烯的结构 如图 1a 所示，石墨烯是由单层碳原子紧密排列构成的二维六边形点阵结构。图 1b~1d 分别显示了石墨烯的原子力显微(AFM) 图像[2] [3] 、扫描隧道显微(STM) 图像 和透射电子显微 (TEM) 图像[4] 。 图1 石墨烯的结构 Fig1 Structure of graphene 1本课题得到高等学校博士点基金（项目编号：20090002110030, 20090002120019 ）的资助。 -1- 中国科技论文在线 在石墨烯被成功分离之前，学术界普遍认为，任何二维晶体在一定温度下不会稳定存在。 实验表明[5]，石墨烯通过在表面形成褶皱或吸附其它分子来维持自身的稳定性。同单壁、双 壁、薄壁碳纳米管之间的关系类似，除了严格意义上的石墨烯(单层)外，双层和少数层石墨 层片在结构和性能上也都明显区别于块体石墨，在广义上也被归为石墨烯的范畴内。 3 石墨烯的性能与应用 石墨烯独特的晶体结构使其具有优异的导电性。电子在石墨烯层片内传输时受到的干扰 很小，不易发生散射，迁移率可达2x105 2 [6] cm /V·s ，约为硅中电子迁移率的140 倍。电导率 6 [7] 达 10 S/m ，是室温下导电性最佳的材料。另外，电子在石墨烯中的传输还显示出半整数 量子霍尔效应[8,9] [10] [11] 和相对论粒子特性 。石墨烯是一种典型的半金属 ，其能隙与宽度成反 比，可以通过控制其尺寸来实现对其能隙的控制。石墨烯已被尝试构建高性能的场效应管 [12-14] 。大面积石墨烯薄膜的成功合成使其在电子信息领域的应用成为可能. 石墨烯的导电性 可通过化学改性方法进行控制，并可同时获得各种基于石墨烯的衍生物。例如，在不破坏石 墨烯六边形晶格结构的情况下，在每个碳原子上键合一个氢原子，即可将石墨烯转变为绝缘 的石墨烷[15] 。 单层石墨烯高度透明，仅吸收~2.3% 的可见光[16] 。因此可以根据薄层石墨烯的可见光透 射率来估算其层数。根据折射和干涉原理，不同层数