石墨烯的负阻抗原理.docx

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，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(K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。图3 种结构的伏安特性曲线由于未被钝化的纳米带能够在2000K的高温下稳定存在，碳链石墨烯结中采用这种未被氢原子的钝化的石墨烯纳条米带作为电极。结构优化和电子输运特性采用ATK计算程序进行计算。计算中散射区的结构优化采用quasi-Newton方法。图2描述了在外加偏压下两种结构的电流特性。在整个偏压范围内，M1和M2结构都呈现非线性特性，都显示了负微分电阻特性。在-0.1到0.1V的偏压窗口内，两种结构的电流曲线都呈线性金属特性。图中的插入图是-80到80mV范围内的电流曲线，更清楚的看出这种线性金属特性，并且在同一偏压范围内，结构M2的电流大于M1的。对M1结构来说，