“神奇材料”石墨烯graphene（二）：或将引发布线革命

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1、“神奇材料”石墨烯（二）：或将引发布线革命是否会引发布线革命石墨烯还具备其他比较对象所缺乏的多项独特性质。以单层石墨烯为例，其电子等载流子的有效质量*为零，而且可在室温下显示出量子霍尔效应*。还会发生电阻值固定不会随距离变化的“无散射传输”*现象。*有效质量：指连接运动量与能量的方程式2阶微分时的系数。有效质量为零时，载流子就会像“光”一样快速运动。同时有利于提高施加电压时的响应速度。而相对于磁场的“回旋（Cyclotron)重量”则不会为零。*量子霍尔效应：对电子二维分布的层（二维电子系统）施加强磁场时，电子轨道及能量水平所取的值不相关（

2、量子化）的现象。一般只能在极低温度环境下观测到这种现象。常被用作半导体品质较高的证据。*无散射传输：又称弹道传输（ballistictransport）。会在材料中的载流子平均自由行程长度大于材料的尺寸，而且载流子处于相干状态时发生。会失去材料本身的电阻，只会因用来施加电压的电极能带构造而产生电阻（量子化电阻）。与超电导极为不同的是，不会发生阻断外部磁场的现象（迈斯纳效应）。如果无散射传输特性能够实用化，石墨烯就有望超越可通过大电流的单纯特性而成为革命性的布线材料，包括IBM、美国英特尔及富士通在内的多家半导体厂商及研究机构目前都在推进这方

3、面的研究。这是因为电阻值一般会随着布线长度成比例增加，而无散射传输布线则是布线越长，单位长度的电阻值越低。这有助于解决LSI总体布线中存在的一大课题——传输延迟问题。另外，无散射传输特性还对杂质非常敏感，因此有助于实现能够判定有无单分子的超高灵敏度传感器。其实普通半导体等也会发生无散射传输现象。但绝大多数以数K的极低温度为必要条件，而且发生这一现象的长度非常短，仅为数nm～数百nm。而石墨烯则有望在室温下实现长达数mm～数cm的无散射传输注1）。注1）目前已确认石墨烯可在极低温环境下实现数mm的无散射传输。室温下只能传输200nm以上。进行

4、石墨烯理论研究的物质材料研究机构国际纳米结构研究基地的独立研究员若林克法指出，石墨烯发生的名为“克莱因穿隧（KleinTunneling）”*的通道效应有望使这种材料比其他材料更易发生无散射传输现象。尽管产生克莱因穿隧效应时，因施加电压等原因材料中会存在能量上的障碍，但载流子可在全然不会反射及衰减的情况下越过能量障碍（图5）注2）。*克莱因穿隧（KleinTunneling）：遵循Dirac方程式运动的电子在某种条件下越过能障的现象。1929年由奧斯卡·克莱因（OskarKlein）发现。又称为克莱因佯谬（KleinParadox）。注2）

5、之所以会发生这种现象，是因为石墨烯的波值与能量的色散关系为有效质量实时等于零，而且价电子带与传输带相接的“Dirac点”具有“贝利相位”自由度为π的值。图5：能否实现“梦想的无散射传输”石墨烯会发生即使有势垒也不会散射，载流子可完全通过的“克莱因穿隧”现象（a）。这是因为n型与p型载流子在移动时具有名为“贝利相位”的自由度（b）。加上容易发生量子力学现象的性质，石墨烯有望在室温下实现无散射传输（c）。最近人们还发现了石墨烯的另一种独特性质。那就是不施加磁场，只需使石墨烯扭曲变形，就能像施加了极强磁场一样使石墨烯的电特性发生变化。因此石墨烯还

6、有望用作高灵敏度应变感传器元件。大幅提高蓄电池的输出功率密度石墨烯还有很多虽未查明原理却被认为很有前景的应用例。比如用作锂离子充电电池的电极材料。美国VorbeckMaterials公司、美国能源部下属的研究所——西北太平洋国家实验室（PNNL）以及美国普林斯顿大学教授IlhanAksay的研究小组2010年7月宣布，通过向锂离子充电电池的电极中添加少量石墨烯，不仅可保持原来的能量密度，还可大幅提高输出功率密度注3）。“有望在几分钟内完成此前需要数小时的手机充电。估计还能用于电动汽车充电”（VorbeckMaterials）。注3）对此有很

7、多表示怀疑的研究人员。这是因为以前CNT也相继出现了相同的报告，不过均被判断为Ti等杂质的效果，目前公认CNT不具备催化剂的效果。　　住友电木还尝试将石墨烯用作锂离子充电电池的负极材料（图6）。石墨烯是通过烧结基于该公司主力产品——苯酚的树脂制作而成的。据住友介绍，虽然目前能量密度还比不上石墨，但却在低温下的放电特性及反复充放电耐性方面显示出了超越石墨的出色特性。图6：有望提高蓄电池的特性住友电木正利用石墨烯开发的锂离子充电电池的负极构造（a）以及该电池的特性（b）。3～4层石墨烯之间有空隙（Cavity），因此具有低温环境下输出功率密度较

8、高，反复充放电时性能也不易劣化的特点。　　而且石墨烯还有望使太阳能电池的性能获得飞跃性提高。有报告称，在有机半导体太阳能电池的半导体材料中混入氧化石墨烯后，因pn接合表面积增大等