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全内反射结构下,石墨烯与光相互作用的增强及其偏振依赖性质,以及该性质在光学传感、光存储、细胞传感方面的发现。
光电探测、全内反射结构、偏振吸收、光学传感
金刚石石墨(三维)石墨烯(二维)碳纳米管(一维)富勒烯(零维)组成完整碳材料家族,除金刚石外所有碳晶体的基本结构单元。
制备,石墨烯缺乏带隙以及室温下的超高电子迁移率、低于银铜的电阻率、高热导率,在光电晶体管、生化传感器、电池电极材料和复合材料有很高应用价值。光电探测
5•石墨烯能带结构;紧束缚近似;最近邻相互作用;置次晶格的对称性;布里渊区的k和k'点导带和价带是简并的,导致石墨烯能带的线性色散关系;此处电子表现为狄拉克菲米子;k和k'附近的电子能量的色散关系表现为各向同行的特点,称为狄拉克锥;远离k和k'位置,等能面变为扭曲的三角形,反映了碳原子六边形晶格的对称性;离k和k'更远处的M点为一个鞍点,此处沿着m-k,m-r方向运动的电子具有正负的有效质量。在布里渊区中心r,导带和价带的n电子态具有20ev的能量差。r点附近的能带的等能面也表现为各向同性的特点,但色散关系为双曲线型。
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6•本征石墨烯,费米能级位于狄拉克点处;此时电子通过带间跃迁从价带迁到导带;对于n型和p掺杂的石墨烯,费米能级会移动,n型掺杂,掺入的电子将填充导带底,因此费米能级上移。导带底部和价带顶部的电子吸收能量都可以发生跃迁。价带电子至少获得2EF的能量才能发生带间对称跃迁。特殊的能带结构,所以具有其他半导体材料所没有的特殊光学性质。
7•石墨烯光学性质;布里渊区k点能量和动能成线性关系,载流子有效质量为0;有别于传统材料电子结构;具有量子霍尔效应和室温下的载流子近弹道传输。单层石墨烯吸光率很高;%的光。狄拉克电
子的超快动力学和泡利组阻隔在锥形能带结构中的存在,赋予非线性光学性质;电子能带结构;本征单层石墨烯的动力学光导与入射光频率无关。