关于石墨烯的研究-毕业论文

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1、关于石墨烯的研究摘要：石墨烯是2004年才发现的新型材料，它是碳原子组成的平面结构。具有单一原子或几个原子的厚度。石墨烯因具有独特的电子结构。是迄今为止人类发现最早的二维电子系统。关键词：石墨烯的制备：石墨烯特性：石墨烯结构：石墨烯应用0引言：C是最神奇的元素，自然界中碳也是组成物质最多的元素，给人类带来了很多财富石墨也是人类最常见的材料。在科学界最热门的材料就是石墨烯。顾名思义，石墨烯与石墨有紧密的联系。我们知道，石墨是一类层状的材料，它是由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于层间的作用力较弱，

2、因此石墨层间很容易互相剥离，形成薄的石墨片，这也正是铅笔能在纸上留下痕迹的原因。这样的剥离存在一个最小的极限，那就是单层的剥离，即形成厚度只有一个碳原子的单层石墨，这就是石墨烯。石墨Graphene）是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。石墨烯的理论比表面积高达2600m2Pg,具有突出的导热性能(3000W·m-1·K-1)和力学性能

3、(1060GPa),以及室温下较高的电子迁移率(15000cm2·V-1·s-1)。此外,它的特殊结构,使其具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质,因而备受关注。但长久以来，科学家们从理论上一直认为这种纯粹的二维晶体材料是无法稳定存在的，一些试图制备石墨烯的工作也均以失败而告终。直到2004年，英国曼彻斯特大学的A.Geim教授及其合作人员凭借极大的耐心与一点点运气终于如大海捞针般首次发现了石墨烯。他们采取的手段与铅笔写字有异曲同工之妙，即通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐

4、减小，最终通过显微镜在大量的薄片中寻找到了理论厚度只有0.34纳米（约为头发直径的二十万分之一）的石墨烯。1石墨烯制备2石墨烯的结构石墨烯是一种由C原子经sp2电子轨道杂化后形的，是C元素的另外一种同素异形体，由碳原子六角结构(蜂窝状)紧密排列的二维单层石墨层(见图1)。同时，石墨烯还可以包成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，如果对石墨烯有更深入的了解，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，石墨烯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

5、，表面会出现起伏如波浪一般。这种褶皱会自发地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石墨烯相互作用导致的，具体原因还在进一步研究之中。在回顾关于石墨烯早先的工作之前，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，100个单原子层的叠加可以认为是一个薄的3维材料。对于石墨烯，众所周知，电子结构随着层数的变化而迅速演变，lO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，单层和双层石墨烯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

6、)。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，导带和价带也明显地交叠。这一条件就将石墨烯区分成三类：单、双、多(3到10)层石墨烯，更厚的结构可以被认为是薄层的石墨。虽然有很多新的2维材料，但是目前几乎所有的试验和理论的成果都集中在石墨烯上，而忽略了其它2维晶体的存在。对石墨烯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：被分离的石墨烯晶体有卓越的特性。石墨烯为复式六角晶格，每个元胞中有两个碳原子，每个原子与最近邻的三个原子问形成三个a键。由于每个碳原子有四个价电子，所以每

7、个碳原子又会贡献出一个剩余的P电子，它垂直于石墨烯平面，与周围原子形成未成键的耳电子。这些7c电子在晶体中自由移动赋予了石墨烯良好的导电性。由简单的紧束缚模型可以计算得到；丌和丌能带在K点交于一点(如图2所示)，该点附近E一是呈线性关系我们把这一点叫做Dirac点。从这个意义上说，石墨烯是一种没有能隙的材料，显示金属性。石墨烯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10¨／cm。的条件下在电荷与空穴之间转换，并且它们的迁移率在室温下可以超过15，000cm。／Vs。迁移率与温度有关系，在30

8、0K条件下仍被杂质散射所限制，因此应该还能够有显著的提高，甚至高到约100，O00cm。／Vs。虽然有些半导体材料(如InSb)的室温值可以达到77，000cm／Vs，但这些值都取自体材料本征半导体。在石墨烯中，对于电学和化学掺杂的器件，在"很高的情况下(72>10／cm)仍保持了很高的值，这就实现了亚微米量级(在30OK时约0．3／~m)的弹道输运。对石墨烯充满兴趣的另