浅谈石墨烯的发展与应用2

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1、浅谈石墨烯的发展与应用陈闽江，邱彩玉，孙连峰（国家纳米科学中心器件研究室北京100190）碳元素广泛存在于自然界，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。自1985年富勒烯和1991年碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了碳系家族。碳的零维、一维、三维结构材料已经被实验证实可以稳定存在的，那二维的理想石墨烯(Graphene)片层能自由存在吗？关于准二维晶体的存在性，科学界一直存在争论。早先科学家认为，准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解或拆解，长程有序结构在无限的二维体系中无法维持。但单层Graph

2、ene作为研究碳纳米管的理论模型得到了广泛的关注。直到2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim等用一种极为简单的方法剥离并观测到了自由且稳定存在的单层Graphene，掀起了一场关于Graphene理论与实验的研究新热潮。Graphene是材料科学和凝聚态物理学领域的一颗迅速上升的新星。尽管一般的材料要等到商业产品的出现，其应用价值才能被肯定，但是Graphene在基础科学中的重要性却无需更多的证明。虽然Graphene走过的历史很短，但是这种严格的二维材料具有特殊的晶体学和电学性质，并且在应用方面有可预见的价值。一、Graphene的结构Graphene是由碳原子六角结

3、构（蜂窝状）紧密排列的二维单层石墨层。同时，Graphene还可以包成0维富勒烯，卷成1维碳纳米管，叠成3维石墨，它是众多碳质材料的基元，如果对Graphene有更深入的了解，就有可能依照人们的意愿定向制备某种需要的碳质材料。在此有一点需要说明，Graphene层并不是完全平整的，它具有物质微观状态下固有的粗糙性，表面会出现起伏如波浪一般。这种褶皱会自发的产生并且最大起伏度可达到0.8nm，也有一种观点认为褶皱是由于衬底与Graphene相互作用导致的，具体原因还在进一步研究中。在回顾关于Graphene早先的工作之前，定义什么是2维晶体是很有用的。很显然，单原子薄层是2维晶体，

4、100个单原子层的叠加可以认为是一个薄的3维材料。但是具体多少层才算是3维材料？对于Graphene，这个问题变得比较明朗。众所周知，电子结构随着层数的变化而迅速演变，10层的厚度就可以达到3维石墨的限制要求。在很好的近似下，单层和双层Graphene都有简单的电子能谱：它们都是具有一种电子和一种空穴的零带隙的半导体（亦即零交叠半金属）。对于三及三以上数目的薄层，能谱将变得复杂：许多电荷载体出现，导带和价带也明显的交叠。这一条件就将Graphene区分成三类：单、双、多（3到<10）层Graphene，更厚的结构可以被认为是薄层的石墨。二、Graphene的性质虽然有很多新的2维

5、材料，但是目前几乎所有的试验和理论的成果都集中在Graphene上，而忽略了其它2维晶体的存在。对Graphene的这种偏爱是否公平仍值得商榷，但是产生这种现象的主要原因却十分明显：被分离的Graphene晶体有卓越的特性。Graphene为复式六角晶格，每个元胞中有两个碳原子，每个原子与最近邻的三个原子间形成三个σ键。由于每个碳原子有四个价电子，所以每个碳原子又会贡献出一个剩余的p电子，它垂直于Graphene平面，与周围原子形成未成键的电子。这些电子在晶体中自由移动赋予了Graphene良好的导电性。由简单的紧束缚模型可以计算得到：π*和π能带在K点交于一点（如图2所示），该

6、点附近E-k呈线性关系：。我们把这一点叫做Dirac点。从这个意义上说，Graphene是一种没有能隙的材料，显示金属性。Graphene在双极性电场效应中有突出的性质，电荷载体可以在掺杂浓度n值高达10¹³/cm²的条件下在电荷与空穴之间转换，并且它们的迁移率µ在室温下可以超过15,000cm²/Vs。迁移率与温度有关系，在300K条件下µ仍被杂质散射所限制，因此µ应该还能够有显著的提高，甚至高到约100,000cm²/Vs。虽然有些半导体材料（如InSb）的室温µ值可以达到77,000cm²/Vs，但这些值都取自体材料本征半导体。在Graphene中，对于电学和化学掺杂的器件

7、，在n很高的情况下（n>10¹²/cm²）µ仍保持了很高的值,这就实现了亚微米量级（在300K时约0.3µm）的弹道输运。对Graphene充满兴趣的另一个同等重要的原因是它电荷载体的独特性质。在凝聚态物理学中，薛定谔方程控制一切，它足以描述材料的电子特性。Graphene却是一个例外：它的电荷载体更相似于相对论的微粒，并且狄拉克方程比薛定谔方程描述电荷载体更简单更自然。虽然电子在碳原子周围移动并不是相对论的范畴，但是在Graphene蜂窝格子结构的周期势影响下，电子与碳原子的相