石墨烯-材料新星.docVIP

石墨烯:材料新星 0842023024 王光明 作者单位：四川大学物理学院08级微电子二班 摘要：石墨烯是一种仅由碳原子构成的二维材料。由于具有特殊的优异的力学、电学、光学性质，近些年来引起了人们的广泛关注。本文首先叙述了石墨烯的背景与发现, 接着阐述了石墨烯的结构、性质和在各领域的相应应用 关键词：石墨烯 结构性质 应用 一 引言 科学家预测采用目前的工艺和硅基半导体材料来延长摩尔定律(芯片的集成度每18个月至2 年提高一倍, 即加工线宽缩小一半)寿命的发展道路已逐渐接近终点，传统半导体器件尺寸的不断缩小并已经到达了瓶颈。人们急需具有更快的电子输运和更精确的电子操纵的新材料来实现未来高速高效电子器件的应用。2004年, 曼彻斯特大学的康斯坦丁诺沃肖洛夫和安德烈海姆通过机械剥离的方法制得了石墨烯, 发现它在大气和室温环境下具有稳定的结构, 并且具有极大的场效应和极高的载流子迁移率。之后又发现其载流子表现出独特的狄拉克费米子行为。这种奇特的狄拉克费米子之前从未在真实的材料中发现, 而仅仅在理论上被理论物理学家讨论过。石墨烯各种新奇的物理特性已引起了科学界的广泛关注。首次在实验上制备出石墨烯的两位俄裔英国科学家也因此获得2010 年度的诺贝尔物理学奖 二 石墨烯的结构 石墨烯仅仅是一个原子的厚度，并形成了高质量的晶体格栅。它是由碳原子六角结构(蜂窝状)紧密排列构成的二维单层石墨,是构造其他维度碳质材料的基本单元。二维的石墨烯则是由石墨中得来，将石墨的厚度降低到一个原子单层, 即是单层的石墨烯。石墨可以看作是许多石墨烯按照一定规则堆垛在一起, 层间以范德瓦耳斯力键相连而形成 三 石墨烯的性质 （1）电学性质 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Brillou in角的六个角附近的低能区域, 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(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） 热力学性质 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） 力学性质 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）光学性质 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 四 石墨烯的应用 地球上很容易找到石墨原料, 再通过各种制备方法便可以得到石墨烯, 石墨烯在物理学、化学、信息、能源以及器件制造等方面, 都有巨大的应用前景 石墨烯最大的应用之一是成为硅的替代品。由于散热原因, 硅基的微计算机处理器在室温下每秒钟只能执行有限数量的操作, 从而大大限制了其工作速度。 然而在石墨烯中, 电子的运动几乎不受任何阻力, 因此产热量极小, 而且石墨烯良好的导热性质也使得它可以快速散热, 从而可以大幅度的提高工作速度. 目前硅器件的运行速度已达到GHz范围, 而石墨烯器件制成的计算机运行速度可达到THz, 因此这种材料可用于高效的THz的晶体管或纳米量级的微电路板的制造, 用来生产未来的超级计算机 石墨烯可以用来制造超级电容器的导电板。由于石墨烯具有非常大的比表面积 , 而且不像多孔碳材料电极那样需要依赖孔的分布, 这些结构和性质的优势都使得它成为了最有潜力的电极材料, 据研究者介绍, 用石墨烯做成的超级电容器会具有较一般材料大得多的能量存储密度 石墨烯以其独特的物理、化学和机械性能也为复合材料的开发提供了原动力。 一些研究者正在试图将石墨烯作为塑料的填充物来研究一些合成材料, 作为混凝土材料的填充物以加强韧度。石墨烯较高的导电性和透光性也可以被用于制造透明电极、液晶显示、触摸屏、有机光伏电池以及OLED 等 石墨烯用来做传感器也是很重要的应用方向之一。不同于一般材料, 石墨烯的整个体积都暴露在空气中, 所有原子都在其表层上, 这一特性使得它可以很有效地控制吸附分子, 信号的灵敏度相比于一般的材料可以提高几个数量级以上。并且由于碳原子的键长是自然界最短的键长, 结构非常稳定, 因此, 石墨烯可能成为化学和生物传感器中非常有前景的材料 五 总结 诺沃肖洛夫和海姆通过独特的机械剥离的办法, 获得了足够大的单层的石墨烯, 并成功地通过输运测量表征了其独特的二维特性和奇妙的电子结构, 从而引起了对石墨烯的研究热潮。石墨烯的独特电