碳纳米材料与技术论文报告-石墨烯电光性质

《碳纳米材料与技术论文报告-石墨烯电光性质》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、石墨烯的电光性质龙（磁学与超导上海）随着对石墨烯的研究的深入，石墨烯经历了艰难的寻找制备手段，到现在的丰富的制备方法，目前比较热门的制备方法有，撕胶带法/轻微摩擦法，最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来；碳化硅表面外延生长，该法是通过加热单晶碳化硅脱除硅，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层；金属表面生长，主要是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯；氧化减薄石墨片法，即石墨烯也可以通过加热氧化的办法一层一层的减薄石墨片，从而得到单、双层石墨烯，等等。对于研究的性质也有很多方面，比如，原结构，电子性质，这里主要是电子传输；光学性质；自旋传输；异常

2、量子霍尔效应；石墨烯氧化物；化学改性；热性能；机械性能等。当然，石墨烯潜在应用也有很多，作为研究磁光方向的研究生，当然关注的是电子性质和光学性质，下面就主要探讨这两个方面。关键字：石墨烯，电子性质，光学性质，磁光1.电子性质下面我先讨论一下电子性质。石墨烯的性质与大多数常见的三维物质不同，纯石墨烯是一种半金属或零能隙半导体。理解石墨烯的电子结构是研究其能带结构的起始点。科学家根据石墨烯能带结构图，很早就察觉，对于低能量电子，在二维的六角形布里渊区的六个转角附近，能量-动量关系是线性关系：，其中，是能量，是约化普朗克常数，是费米速度，与分别为波矢量的x-轴分量与y-轴分量

3、。这引至电子和空穴的有效质量（effectivemass）都等于零。1,2因为这线性色散关系，电子和空穴在这六点附近的物理行为，好似由狄拉克方程描述的相对论性自旋1/2粒子。2所以，石墨烯的电子和空穴都被称为狄拉克费米子，布里渊区的六个转角被称为“狄拉克点”，又称为“中性点”。在这位置，能量等于零，载子会从空穴变为电子，从电子变为空穴。电子传输测量结果显示，在室温状况，石墨烯具有惊人的高电子迁移率（electronmobility），其数值超过15,000cm2V−1s−1。从测量得到的电导数据的对称性显示，空穴和电子的迁移率应该相等。在10K和100K之间，迁移率与温

4、度几乎无关，3可能是受限于石墨烯内部的缺陷所引发的散射。在室温和载子密度为1012cm−2时，石墨烯的声子散射体造成散射，将迁移率上限约束为200000cm2V−1s−1。与这数值对应的电阻率为10−6Ω·cm，稍小于银的电阻率1.59×10−6Ω·cm。在室温，电阻率最低的物质是银。所以，石墨烯是很优良的导体。对于紧贴在氧化硅基板上面的石墨烯而言，与石墨烯自己的声子所造成的散射相比，氧化硅的声子所造成的散射效应比较大，这约束迁移率上限为40000cm2V−1s−1。4虽然在狄拉克点附近，载子密度为零，石墨烯展示出最小电导率的存在，大约为数量级。造成最小电导率的原因仍旧

5、不清楚。但是，石墨烯片的皱纹或在SiO2基板内部的离子化杂质，可能会引使局域载子群集，因而容许电传导。有些理论建议最小电导率应该为。但是，大多数实验测量结果为数量级，而且与杂质浓度有关。在石墨烯内嵌入化学掺杂物可能会对载子迁移率产生影响，做实验可以侦测出影响程度。曾经有人将各种各样的气体分子（有些是施体有些是受体）掺入石墨烯，他们发觉，甚至当化学掺杂物浓度超过1012cm−2时，载子迁移率并没有任何改变。5另一组实验者将钾掺入处于超高真空（ultrahighvacuum）、低温的石墨烯，他们发现钾离子的物理行为与理论相符合，迁移率会降低20倍。假若，将石墨烯加热，除去钾

6、掺杂物，则迁移率降低效应是可逆的。由于石墨烯的二维性质，科学家认为电荷分数化（低维物质的单独准粒子的表观电荷小于单位量子）会发生于石墨烯。因此，石墨烯可能是制造量子计算机所需要的任意子元件的合适材料。2.光学性质最后我们了解一下石墨烯中的光学性质。根据理论推导，悬浮中的石墨烯会吸收的白光；其中是精细结构常数。一个单原子层物质不应该有这么高的不透明度（opacity），单层石墨烯的独特电子性质造成了这令人惊异的高不透明度。更令人诧异的是，这不透明度只与精细结构常数有关，而精细结构常数通常只出现于量子电动力学，很少会在材料学领域找到它。由于单层石墨烯不寻常的低能量电子结构，

7、在狄拉克点，电子和空穴的圆锥形能带（conicalband）会相遇，因而产生高不透明度结果。实验证实这结果正确无误，石墨烯的不透明度为，与光波波长无关。但是，由于准确度不够高，这方法不能用来决定精细结构常数的度量衡标准。近来，有实验示范，在室温，通过施加电压于一个双闸极双层石墨烯场效晶体管，石墨烯的能隙可以从0eV调整至0.25eV，大约5微米波长。6通过施加外磁场，石墨烯纳米带的光学响应也可以调整至太赫兹频域。73.总结石墨烯作为一个新型材料，其独特的二维的六角形型结构，使得石墨烯的电子和空穴都可看做狄拉克费米子，六角处能量等于零，载子