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1、1物理与工程Vol.21No.12011石墨烯:一种新的量子材料特约稿件张翼(中国科学院物理研究所,北京100190)薛其坤(清华大学物理系,北京100084)(收稿日期:20101230)摘要石墨烯是一种仅由碳原子构成的二维材料.由于其独特的二维六角蜂窝状的晶格结构、载流子的狄拉克费米子行为及其他奇妙的物理特性,近些年来引起了人们的广泛关注.同时,它还展现出在电子、信息、能源等多个领域的巨大应用前景.曼彻斯特大学的安德烈海姆(A.K.Geim)和康斯坦丁诺沃肖洛夫(K.S.Novoselov)因其在石墨烯制备和研究方面的开创
2、性工作获得了2010年的诺贝尔物理学奖.关键词石墨烯;诺贝尔奖;量子霍尔效应;狄拉克费米子GRAPHENE:ANEWQUANTUMMATERIALZhangYi(InstituteofPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190)XueQikun(DepartmentofPhysics,TsinghuaUniversity,Beijing100084)AbstractGrapheneisatwodimensionalmaterialonlymadeofcarbonatoms.Duetoitsuniq
3、uetwodimensionalhoneycomblatticestructure,Diracfermionsbehaviorofcarriers,andotherexoticphysicalcharacteristics,graphenehasattractedextensiveattentionrecently.Graphenealsopromisesforapplicationsinmanyfieldssuchaselectronicd,informationtechnology,energyconvertion.Becauseofthepi
4、oneeringworkinpreparationandcharacterizationofgraphene,A.K.GeimandK.S.Novoselov,theUniversityofManchestersharedNobelPrizeinPhysicsin2010.KeyWordsGraphene;NobelPrize;QuantumHalleffect;Diracfertmon过机械剥离的方法制得了石墨烯,发现它在大气1介绍和室温环境下具有稳定的结构,并且具有极大的2场效应和极高的载流子迁移率(~15000cm-1-1[1]晶体管于19
5、47年12月发明,它开创了现代Vs).之后又发现其载流子表现出独特的[2,3]的半导体工业,是计算机信息技术的基石.随着人狄拉克费米子行为.这种奇特的狄拉克费米子们对计算速度和性能的不断追求,传统半导体器之前从未在真实的材料中发现,而仅仅在理论上件尺寸的不断缩小并已经到达了瓶颈.人们急需被理论物理学家讨论过.石墨烯各种新奇的物理具有更快的电子输运和更精确的电子操纵的新材特性已引起了科学界的广泛关注.首次在实验上料来实现未来高速高效电子器件的应用.2004制备出石墨烯的两位俄裔英国科学家也因此获得[4]年,曼彻斯特大学的康斯坦丁诺沃肖洛夫(K.201
6、0年度的诺贝尔物理学奖.S.Novoselov)和安德烈海姆(A.K.Geim)通2物理与工程Vol.21No.12011[6]系(图2).这是第一次在凝聚态材料中发现这样2石墨烯的结构的相对论性的狄拉克费米子.石墨烯特殊的电子结构,使得它表现出许多奇妙的物理性质:如半[7,8][5,7]碳是地球上最丰富的元素之一,也是构成生整数的量子霍尔效应,无载流子的电导,[9,10]命的最基本的元素.单质碳存在形式是多种多样Klein隧穿效应以及其他许多未被探知的[11~14]的:如碳构成的金刚石是世界上最坚硬的物质;特性.零维的富勒烯和一维的碳
7、纳米管是近些年来出现的新纳米材料.二维的石墨烯则是由石墨中得来:将石墨的厚度降低到一个原子单层,即是单层的石墨烯.石墨可以看作是许多石墨烯按照一定规则堆垛在一起,层间以范德瓦耳斯力键相连而形成.因此,石墨烯内部为碳原子构成的六角蜂窝状网络[5]结构,实际上可看作是单原子层的石墨(图1).图2石墨烯的电子结构示意图,右侧放大图显示狄拉克[6]点附近电子能量与动量呈线性色散关系3量子霍尔效应量子霍尔效应是二维电子气在强磁场下表现出的一种奇特的量子效应.当二维电子气处在强磁场下时,其连续的能带结构就会分裂为独立的量子能级所谓的朗道能级.当通过门电压
8、调节费米面落在朗道能级之间时,费米面处的能态密度为零,霍尔测量得到的纵向电阻为零,在霍尔图1
