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1、石墨烯外延生长及其器件应用研究进展高材1103刘铭2011012074摘要:石墨烯具有优异的物理和电学性能,已成为物理和半导体电子研究领域的国际前沿和热点之一.本文简单介绍了石墨烯的物理及电学特性,详细评述了在众多制备方法中最有希望实现石墨烯大面积、高质量的外延生长技术,系统论述了不同SiC和金属衬底外延生长石墨烯的研究进展,并简要概述了石墨烯在场效应晶体管、发光二极管、超级电容器及锂离子电池等光电器件方面的最新研究进展.外延生长法已经初步实现了从纳米、微米、厘米量级石墨烯的成功制备,同时可实现其厚度从单层、双层到
2、少数层的调控,有望成为高质量、与传统电子工艺兼容、低成本、大面积的石墨烯宏量制备技术,为其器件应用奠定基础.关键词:石墨烯、外延生长、器件、进展;2004年,英国Manchester大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫[1]通过胶带剥离(亦称微机械力分裂法:Microfolitation)高定向石墨,首次制备出独立存在的、只有一个原子层厚度的二维晶体结构—石墨烯.它推翻了“完美二维晶体结构无法在非绝对零度下稳定存在”的定论,开启了一扇基于二维体系的理论和实验研究大门.石墨烯因其晶体和电子结构而具有独特的物理现象
3、,被认为是未来新一代的半导体材料,在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有广阔的应用前景.1石墨烯基本特性Partoens等[2]研究发现,当石墨的堆垛原子层数少于10个单原子层时,石墨层就会具有与普通三维石墨不同的电子结构.一般将10层以下的石墨结构统称为石墨烯.单层石墨烯的晶体结构如图1(a)所示[3],是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构,厚度只有0.335nm,相当于头发丝直径的1/200000.它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(Fullerene)(图1(b))
4、,卷曲成一维(1D)的碳纳米管(CarbonNanotube,CNT)(图1(c))或者堆垛成三维(3D)的石墨(Graphite)(图1(d)).因此,石墨烯被认为是构成其它碳材料的基本单元.1.1力学特性石墨烯是目前已知最薄的材料,厚度仅有0.335nm.其C−C键仅为0.142nm,石墨烯中的每个碳原子与其它3个碳原子通过强σ键相连[4],C−C键(sp2)使其成为已知最为牢固的材料之一.它比钻石还坚硬,强度比钢铁高100倍.石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧,当施加外力于石墨烯时,碳原子面会弯曲变形,使得碳
5、原子不必重排以适应外力,从而保持结构的高稳定性.迄今为止,尚未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况,即六边形晶格中的碳原子均未丢失或发生移位.稳定的晶格结构还赋予了石墨烯优异的导热性.石墨烯因其优异的力学特性(石墨烯的力弹性系数为105N/m,杨氏模量达0.5TPa[4]),有望解决微型处理器制造过程中所遇到的压力问题,再加上其出色的电子特性,有望成为未来制造微型处理器的首选材料[5].1.2电学性质碳原子有4个价电子,其中3个电子生成sp2键,即每个碳原子贡献一个未成键的电子位于pz轨道,近邻原子的pz轨道与平面成垂直
6、方向形成π键,为半填满状态,电子可在二维晶体内自由移动,因此石墨烯具有良好的导电性[6].其电子以光速的1/300移动,具有相对论粒子特性[7],并可不通过散射而进行亚微细距离移动,使得隧道单分子晶体管的设想成为现实.另外,其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.鉴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,石墨烯内部电子输运受到的干扰也非常小.它的电子迁移率在室温下可以超过15000cm2/(V·s)[7],即使在电场引起的非平衡载流子浓度非常高的情况下,其迁移率依然保持一个很高
7、的值;而且,研究表明单层石墨烯中载流子的迁移速率受温度及化学掺杂的影响很小[8].石墨烯的价带(π电子)和导带(π∗电子)相交于费米能级处(K和K′点),即形成所谓狄拉克锥结构(Diraccones)(图2),是能隙为零的半导体,为目前已发现的电阻率最小的材料.在费米面附近的传导电子(π键电子)具有线性色散关系[7,9-10],这导致了石墨烯在费米面附近的传导电子遵从相对论量子力学中的有效质量为零的Dirac方程[10-11],成为凝聚态物理学中验证相对论理论及无质量狄拉克费米子的天然理想模型.石墨烯独特的载流子特
8、性和无质量的狄拉克费米子属性使其能够在室温下观测到霍尔效应[12].另外,石墨烯还具有量子隧道效应及半整数霍尔效应[13]、安德森局域化的弱化现象、永不消失的电导率等特性.此外,石墨烯还具有其它一些优异的物理化学特性,如高吸附性、高化学稳定性,高达2630m2/g的理论比表面积[14]、图1(a)石墨烯,(b)富勒烯,(c)碳纳米管,(d)石墨的晶体结构[3
