文档介绍：历史文化学院刘熠 2011011044 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[1], 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。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料[3] ,它几乎是完全透明的,只吸收 % 的光"[4] ; 导热系数高达 5300 W/m ·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率*超过 15000 cm2/V ·s, 又比纳米碳管或硅晶体*高,而电阻率只约 10-6 Ω· cm ,比铜或银更低,为目前世上电阻率最小的材料[1]。因为它的电阻率极低,电子跑的速度极快, 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。 石墨烯另一个特性,是能够在常温下观察到量子霍尔效应。石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D) 周期蜂窝状点阵结构, 它可以翘曲成零维(0D) 的富勒烯(fullerene), 卷成一维(1D) 的碳纳米管(carbon nano- tube, CNT) 或者堆垛成三维(3D) 的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目前最理想的二维纳米材料.。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵,可以看作是一层被剥离的石墨分子,每个碳原子均为 sp2 杂化,并贡献剩余一个 p轨道上的电子形成大π键, π电子可以自由移动,赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有 sp2 杂化碳质材料的基本组成单元。电子运输 在发现石墨烯以前,大多数(如果不是所有的话) 物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。 石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导=2e²/h,6e²/h,10e²/h.... 为量子电导的奇数倍,且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学,没有静质量”。导电性 石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。 石墨烯最大的特性是其中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。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electric charge carrier) ,的性质和相对论性的中微子非常相似。 石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约 % 的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。机械特性 石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上 100 倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中,他们选取了一些直径在 10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上,这些孔的直径在 1— 微米之间。之后,他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力,以测试它们的承受能力。 石墨烯的合成方法主要有两种:机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热 SiC 的方法;化学方法是化学还原法与化学解理法。在纳电子器件方面的应用 2005 年, Geim 研究组[3 J 与 Kim 研究组 H 发现, 室温下石墨烯具有 10倍于商用硅片的高载流子迁移率(约 10 am /V · s),并且受温度和掺杂效应的影响很小,表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300 K 下可达 m) ,这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势,使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间, 超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一