石墨烯的电子结构及其应用new

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1、石墨烯的电子结构及其应用进展８９石墨烯的电子结构及其应用进展ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＧｒａｐｈｅｎｅａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＡｄｖａｎｃｅｓ梁彤祥，刘娟，王晨（清华大学核能与新能源技术研究院精细陶瓷北京市重点实验室，北京１０００８４）ＬＩＡＮＧＴｏｎｇ－ｘｉａｎｇ，ＬＩＵＪｕａｎ，ＷＡＮＧＣｈｅｎ（ＢｅｉｊｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｆＦｉｎｅＣｅｒａｍｉｃｓ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｕｃｌｅａｒａｎｄＮｅｗＥｎｅｒｇｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）

2、摘要：本文分析了石墨烯的晶体结构、电子结构以及其独特的量子霍尔效应，评价了石墨烯的制备方法，分析了石墨稀应用研究进展。阐述了目前石墨稀材料研究的主要问题，并预测了其发展趋势。关键词：石墨烯；炭素材料；量子霍尔效应ｄｏｉ：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４３８１．２０１４．０６．０１７中图分类号：ＴＱ０３１．２文献标识码：Ａ文章编号：１００１－４３８１（２０１４）０６－００８９－０８Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｒｙｓｔａｌ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｇｒａｐｈｅｎｅａｎｄｑｕａｎｔｕｍＨａｌｌｅｆｆ

3、ｅｃｔｉｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｉｓｅｖａｌｕａｔｅｄ，ａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｄ－ｖａｎｃｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｂｌｅｍｅｘｉｓｔｅｄｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｉｓｅｘｐｌａｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐ－ｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｉｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｒａｐｈｅｎｅ；ｃａｒｂｏｎｍａｔｅｒｉａｌ；ｑｕａｎｔｕｍＨａｌｌｅｆｆｅｃｔ石墨烯是由

4、碳原子构成的二维单层片状结构的新以石墨烯为基础的等离子震荡技术可以让新颖材料，多年来一直被认为是假设性的结构，无法单独稳的光学设备响应不同的频率波段，从太赫兹到可见定存在，２００４年，英国曼彻斯特大学安德烈·海姆和光，响应速率快，激发电压低，能量损耗小，体积尺寸［５］康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验室从石墨中分离小。利用太赫兹光谱学可以研究外延生长的石墨出石墨烯，确认石墨烯可以单独存在。从此，石墨烯制烯层与石墨烯器件中光生电子和空穴的超快弛豫和备和应用研究成为材料科学的一大研究热点。石墨烯复合等动态过程。在半导体芯片上制作太赫兹的发具有独

5、特的电子性质，在器件应用上展现出巨大的应射器和探测器是一项很有吸引力而且必要的技术，［１］用潜力，被认为是最有可能取代硅的新型电子材料。这样可以减小太赫兹系统的尺寸并且拓宽太赫兹的与碳纳米管不同，石墨烯存在完美的杂化结构，大的共应用范围。［２］轭体系使其电子输运能力很强，载流子输运实验显石墨烯表现出的特殊宏观性能源于其独特的电子示在室温下石墨烯具有非同寻常的高电子迁移率，大结构。二维石墨烯中的电子能以极高速运动，行为类于１５０００ｃｍ２－１－１［３］。电导率实验的对称性说明空似无静止质量的相对论性粒子（狄拉克粒子Ｄｉｒａｃｐａｒ－Ｖｓ穴和

6、电子的迁移率几乎相同，并且在１０～１００Ｋ温度ｔｉｃｌｅ）。石墨烯的出现使得相对论量子力学不再仅局范围内，迁移率不受温度影响，这说明石墨烯中电子主限于宇宙学或高能物理领域，而是进入了日常生活状［４］要的散射机理是缺陷散射。硅基的微计算机处理器态下的实验室中。石墨烯中的电子各种性质引起众多在室温下每秒钟只能执行一定数量的操作，而电子在科学家的兴趣，如室温下的量子霍尔效应、极性电子场［２，３，６，７］石墨烯中穿行没有任何阻力，产生的热量也很少，而且载流子运输、可调带隙、高伸缩性等。Ｏｈｃａ等石墨烯本身具有较高的热导率，因此石墨烯电子产品通过调

7、整每一层石墨烯上载流子的浓度来改变库仑比硅具有更高的运行速率。由于制备石墨烯的原料是势，进而控制价带与导带间带隙宽度，这种带隙的可控价格低廉的石墨，用石墨烯替代硅制造电子产品的应为双分子层石墨烯在原子水平电子设备的应用提供可［８］用前景广阔。能。Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ等发现石墨烯的量子霍尔效应一个９０材料工程／２０１４年６期有趣现象，零场下石墨烯在狄拉克点附近的电导率并子层就会弯曲变形来适应外力，而不必使碳原子重新没有因载流子的浓度趋近零而消失，相反却接近量子排列，这样就保持了结构的稳定。［９］化的电导率。石墨烯晶体结构中每个元胞包含两个碳原

8、子，四本文简要介绍了石墨烯的晶体结构，在理论上分个价电子的其中三个分别与邻近碳原子产生ｓｐ２轨道析石墨烯中的电子结构以及由此引起的独特的量子霍杂化形成三个σ键，另外一个ｐ轨道电子贡献给非局尔效