1第一章 石墨烯材料.ppt

1第一章 石墨烯材料
2008年安全评价人员教育培训
1985
石墨烯的晶格结构与其相应的倒格矢空间
石墨烯能带结构
（1）扫描隧道显微镜（STM）
具有很高的空间分辨率，。研究表明分子在石墨烯表面的物理吸附将改变其磁性能。例如氧的物理吸附增加石墨烯网络结构的磁阻，位于石墨烯纳米孔道内的钾团簇将导致非磁性区域的出现。
电学性质
石墨烯的电子迁移率实验测量值超过150000cm2/(V•s)，载流子浓度约为1013cm-2，在10K～100K温度范围内，迁移率几乎与温度无关；石墨烯中的主要散射机制是缺陷散射，因此可以通过提高石墨烯的完整性来增加其迁移率。长波的声学声子散射使得石墨烯的室温迁移率大约为200000cm2/(V•s)，载流子浓度约为1012cm-2，其相应的电阻率为10－6Ω•cm-2，比室温电阻率最小的银的电阻率还小。硅的电子迁移率为1400cm2/(V•s)，电子在石墨烯中的传输速度是在硅中的100倍，这使得开发更高速的计算机芯片和生化传感器成为可能。在常温下，即使碳原子受到挤撞，石墨烯中的传导电子所受的干扰也非常小。
石墨烯的优异特性
量子隧道效应
允许相对论的粒子有一定概率穿越比自身能量高的势垒。而在石墨烯中，量子隧道效应被发挥到极致，科学家们在石墨烯晶体上施加一个电压（相当于一个势垒） ，然后测定石墨烯的电导率。一般认为，增加了额外的势垒，部分电子不能越过势垒，使得电导率下降。但事实并非如此，所有的粒子都发生了量子隧 道效应，通过率达100%。这是石墨烯极高载流速率的来源。
分数量子霍尔效应和异常量子霍尔效应
整数量子霍尔效应
量子霍尔效应只发生于二维导体。这效应促成了一种新度量衡标准，称为电阻率量子（resistivity quantum）h/e2；垂直于外磁场的载流导线，其横向电导率会呈现量子化值。称这横向电导率为霍尔电导（Hall conductivity），以方程表示为
σxy＝Ne2/h
其中，N是整数,称为朗道能级指标（Landau level index），通常这霍尔电导现象只能在非常低温（3K），非常高磁场，从非常干净的Si或GaAs固体观测出来，
1985年的诺贝尔物理学奖
石墨烯的室温量子霍尔效应
Science,2007,315:1379
石墨烯的分数量子霍尔效应
石墨烯纳米条带的导电性
有限宽的石墨烯纳米带（GNRs）由于量子受限展现出不同于二维石墨烯的新颖的物理化学性质。由石墨烯裁成窄带时，裁的方向不同，将得到不同边缘结构的GNRs，从而有不同的电子态。
为了要赋予单层石墨烯某种电性，会按照特定样式切割石墨烯，形成石墨烯纳米带（Graphene nanoribbon）。切开的边缘形状可以分为锯齿形和扶手椅形。采用紧束缚近似模型做出的计算，预测锯齿形具有金属键性质，又预测扶手椅形具有金属键性质或半导体性质；到底是哪种性质，要依宽度而定。
石墨烯纳米带的二维结构具有高电导率、高热导率、低噪声，这些优良品质促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择，有可能替代铜金属。
石墨烯的制备技术
微机械剥离法（撕胶带法）
用透明胶带在石墨上粘一下，这样就会有石墨层被粘在胶带上。把胶带对折后，粘一下再拉开，这样，胶带两端都沾有石墨层，石墨层又变薄了。如此反复多次，胶带上的石墨层薄到只有一个碳原子的厚度时，石墨层也就变成了石墨烯。
外延生长法
通过加热单晶6H-SiC脱除Si，从而得到在SiC表面外延的石墨烯。将表面经过氧化或H2蚀刻后的SiC在高真空下通过电子轰击加热到1000℃以除掉表面的氧化物，升温至1250℃～1450℃，恒温1～20min，形成石墨烯薄片，其厚度由加热温度决定。
这种方法得到的石墨烯有两种，物理性质受SiC衬底的影响很大，一种是生长在Si层上的石墨烯，由于和Si层接触，这种石墨烯的导电性受到较大影响，而生长在C层上的石墨烯则有着极为优良的导电能力。但这种方法制造的石墨烯难以被从SiC衬底上分离出来，不能成为大量制造石墨烯的方法。
化学气相沉积法
化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)是将平面基底（如金属薄膜、金属单晶等）至于高温可分解的前驱体（如甲烷、乙烯等）气氛中，通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯，最后用化学方法腐蚀基底后即可得到自支撑的石墨烯片。通过选择基底的类型，生长温度，前驱体气体的流量等参数可调控石墨烯的生长（如生长速度、厚度以及面积）。
该方法已成功应用于多种金属基底表面（如Ru(0001),Pt(11