石墨烯的光电特性

石墨烯的光电特性

One,seven

北京邮电大学计算机学院

摘要：石墨烯基础材料的光电性能被调查，特别是研究具有氧化石墨单层的石墨烯氧化物的物理和化学性质和它的化学简式与石墨的不同。尽管氧化石墨在一百多年前就被Brodie（在1859年）合成，但直到现在特殊层还没被深入研究，与我们正在研究的石墨烯氧化物比较，物理学家在原始石墨烯(石墨的一个层)发现了卓越的物理输送特性同时也显示石墨烯在纳米电子方面的潜力;这提高我们对包括石墨烯氧化物在内的化学法改变石墨性质的兴趣。

关键字：石墨烯，光电性

1.引言

石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。作为一种零带隙的半导体材料,石墨烯具有极高的载流子迁移率和特殊的输运特性,在场效应晶体管、光伏电池、液晶显示等领域具有应用前景。

2. 石墨烯基础材料的光电特性

2.1石墨的结构和其电气性能

石墨完全由碳原子组成，图表2-1显示了三维碳堆积结构的例子。如石墨架构图所示，每个碳原子通过共价键与其他三个碳原子形成一个完全的两空间层，每一层通过范德华力键合，因为范德华力作用力远远比共价键弱得多，所以石墨在每一层的每个方向上都可以裂开。为了得到一个单层的石墨烯，很多人尝试剥离大块石墨。据目前报道石墨可以通过简单的微机械分裂技术剥离成一层或者少数层。这开辟了关于石墨烯的凝聚态物理学研究新领域。

有趣的是石墨烯这种材料展现电场效应，它说明石墨烯可以作为晶体管，图表2-2的场效应晶体管（FET）可以由石墨烯实现，根据石墨烯FET的电流结果可知，材料的导电率以独特栅极电压函数的方式改变。

石墨烯的栅极依赖关系总结在图表2-3，在图中可以看出，电阻率的变化取决于提供的栅极电压。通过提供一个高的栅极电压电阻率被大大地减少（无论是积极的还是消极的）。对比单壁的碳纳米管的栅极依赖关系，石墨烯栅极依赖关系是十分特殊的。如2-4所示，通过增加栅极电压，单壁碳纳米管的导电率被减少，由于只含有空穴载流子，所以石墨烯被误认为P型半导体。顺便说，石墨烯同时表现出P型和S型半导体的特征，这被理解为材料同时带有空穴和电子，这些可以被提供的栅极电压控制，当温度降低时，栅极电压的影响变得越来越明显。

图表2-5还总结了石墨烯的其他的方面性质，如图2-5（a）所示，薄片的厚度增加，栅极偏置效果消失，大块石墨只是简单导电而没有依赖于栅极。石墨烯应用电流和电压之间呈线性关系。此外，电场影响在低温下（—4K）提供一个磁场的情况下可以量子化（量子霍

尔效应）（QHE）。一系列结果表明石墨烯具有有趣的电子性质。实际上物理是如此迷人，许多人认为这是一个凝聚物质物理学的新分支，在过去的几年里，世界各地的研究石墨烯的人员已经暴涨。

2.2石墨烯作为传感材料的应用

利用石墨烯板材的电气性能，你可以考虑把它们作为测量待定气体分子的传感器的材料，单壁碳纳米管已经应用在这方面了。在图表2-6（a）中，栅极效果暴露了半导电单壁碳纳

米管对两种气体过分依赖这个缺点。所依赖的气体如NO

2和NH

3

，表格中的曲线分别向正向

或者反向运行，我相信空隙载流子的数量的改变由气体分子的约束力决定。减小吸附的NH

3

的数量理应会减少电导率，相比之下，减少吸附的NO

2

的空穴载流子的数量，电导率反而增

大。结果表明即使小气体量（一个很低浓度）也可以被单壁碳纳米管检测到。（图表2-6（b））

气体中，栅极依如图表2-7（a）所示，石墨烯表现出一个相似的行为，当暴露在NO

2

赖关系会漂移向积极一边。以单壁碳纳米管为例，这可以理解为对材料掺杂额外的空穴载流子，所以两种载流子的均衡被改变。而且，石墨烯器件能检测表面单分子的剥离或者附着状态，电阻的变化步骤在图表2-6（c）中显示，表示电阻变化的量化，电阻的变化被认为由单分子的附着或者剥离状态决定。

2.3石墨烯的光学可视化和表征

考虑到石墨烯的厚度理想值是 3.4A，你很难认为这种材料可以被光学显微镜视像化，但是，是可以看见的当单层石墨烯放在在硅表面生长的电介质膜表面上是可以看见的。通过控制介电薄膜的厚度可以增加石墨烯的可见性。在图表2-8（a）中,显示不同层的石墨烯的对比。能见度低的原因是因为表面沉积区的光路径和介电薄膜的裸露面不同的,这为一定值

的介电层厚度对比提供理由。当单层的光学性质符合，它表示数值比大部分性质数值小，研究人员把这个现象归结于当材料极薄(小于3 ~ 4nm)时，夹层的相互作用减小。对比是通过减去来自材料的反射率的电介质膜反射率和划分与介电膜的反射率来进行的。考虑到一个单层的最大值是-0.1，材料和介电层的反射率只有10%的不同。

2.4石墨烯氧化物的独特性

石墨烯氧化物和石墨烯的不同处在于表面的许多化学官能团。首先，石墨烯氧化物是一种由氧和碳组成的整比化合物，元素分析表明，石墨烯氧化物的碳氧比接近C:O(2:1)。通过化学法和热处理可以降低氧气的比例，最低值可以达到C:O(20:1).材料的唯一性在于范围内可以控制比例，材料的碳氧比不同，它们的电学性能和光学性能也会不同。其次，在石墨烯氧化物表面的化学官能团是具有化学活性的而且很容易被功能化，这是材料的一个很大优势，被认为是水蒸气和液体传感器的潜在材料。最后，石墨烯氧化物是亲水性的。考虑到石墨烯由于具有高疏水性而不可能作为填料，石墨烯氧化物可以很好地分散开来。由于它的高溶解性，石墨烯氧化物在制备新型材料特别是制备纳米复合材料（仅仅通过和其他材料混合）具有很大应用前景。

3.石墨烯基底材料的光学特性

3.1概述

在这光学特性部分，为研制石墨烯基底材料的光学方法出现了。本研究和其他小组合作完成，其他小组的工作会得到介绍的，我们工作的主要优势是我们可以更彻底地研究绝缘材料的影响。例如，我们改变绝缘材料的光学性质和厚度一样，所以材料和介电膜的高度对比就可以得到，我们获得比介电层反射率高12倍的单层石墨烯氧化层（-1nm）反射率。使用优化的基底，光学性质估计有实质性的意义，使用这方法的拟合值和椭圆光度法得到的值比较会提高。

光学方法依据经典薄膜光学给出这个论点。在图表3.1-1，简单的图表显示了我们研究用的两种计算方法的差异，第一种方法利用通过计算材料和介电层表面的反射率来获得材料和基底的对比，椭偏仪更传统。在该方法中，两束偏振光会被使用，并且两束光的比例会被计算和测量。在我们的研究中，成像和薄材料的表征都使用了成像椭偏仪。

3.2高对比度成像和描述石墨烯基底的简单方法

识别和描述一种材料如石墨、或任何数量的粘土、或金属硫化物如二硫化钨的单层纳米规模层或者少量层是具有挑战性的，使用扫描探针显微镜如原子力显微镜（AFM）能识别薄片的存在和判定它们侧面和垂直尺寸，但这方法是有点耗时以及为了获得高度的准确值，要区别材料的单层和双分子层，每个相对小的区域都必须被扫描。原则上,扫描电子显微镜也可以用于识别个人层与多层片,但是该成像会引起在暴光的区域形成一层中污染物。

另一方面，光学方法可以为大面积样品快速、无损表征提供可能性，例如，椭圆光度法被广泛用于确定光学常数和薄膜的厚度，虽然标准椭圆偏振计要求样品和侧向尺寸超过1毫米，相比之下，成像椭圆光度法可以由千毫米的分辨率，并且有助于探测光学常数和厚度，这方法的调查正在进行和会在其他地方被报道。在过去两年里，我们关注更简单的方法，该方法可以允许使用标准共焦显微镜快速识别和描述薄片光学响应。

参考文献：

1.神奇的石墨烯 --《百科知识》2010年20期

2.肖敏,杜续生,孟跃中,张世震;新方法合成导电聚芳双硫醚/石墨剥离纳米复合材料(英文);中山大学学报(自然科学版);2003年S1期

3.黄颖霞;周宁琳;李利;刘颖;魏少华;沈健;;石墨层间化合物的合成及其结构研究;南京师大学报(自然科学版);2005年04期

4.李波;邹艳红;刘洪波;;Ni/石墨纳米复合材料的制备及微波吸收性能研究;炭素技术;2007年04期

石墨烯介绍

1石墨烯概述-结构及性质 1.1 石墨烯的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中，如图1所示。每个碳原子除了以σ键与其他三个碳原子相连之外，剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，如图2所示，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管。 图1 石墨烯的结构示意图 图2石墨烯：其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维 碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨 1.2石墨烯的性质 石墨烯独特的单原子层结构，决定了其拥有许多优异的物理性质。如前所述，石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的π 电子，这些电子可形成与平面垂直的π轨道，π 电子可在这种长程π 轨道中自由移动，从而赋予了石墨烯出色的导电性能。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V·s)，相当于光速的1/300，在特定条件，如液氦的温度下，更是可达到250000cm2/(V·s)，远远超过其他半导体材料，如锑化铟、砷化镓、硅半

导体等。这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。并且电子在晶格中的移动是无障碍的，不会发生散射，使其具有优良的电子传输性质。同时，石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质，比如室温量子霍尔效应等。由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ 键，因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。最近，哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能，发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa，断裂强度更是达到了130GPa，比最好的钢铁还要高100 倍。石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低，因此石墨烯的传热主要是靠声子的传递，而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m·K), 优于碳纳米管，更是比一些常见金属，如金、银、铜等高10 倍以上。除了优异的传导性能及力学性能之外，石墨烯还具有一些其他新奇的性质。由于石墨烯边缘及缺陷处有孤对电子，使石墨烯具有铁磁性等磁性能。由于石墨烯单原子层的特殊结构，使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g。石墨烯也具备独特的光学性能，单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使石墨烯在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。 图3石墨烯的应用 2石墨烯聚酯复合材料的制备方法 由于石墨烯优异的性质以及低的成本，石墨烯作为聚合物纳米填料被广泛报道。为了获得优异性能的聚合物/石墨烯复合材料，首先要保证石墨烯在聚合物基体中均匀分散。石墨烯的分散与制备方法、石墨烯表面化学、橡胶种类以及石墨烯-橡胶界面有着密切关系。聚合物/石墨烯复合材料的制备方法主要有溶液共混、熔体加工、原位聚合和乳液共混四种方法。 2.1 溶液共混法 溶液共混法主要是采用聚合物本身聚合体系的有机溶剂,充分分散石墨烯于体系中，随着体系聚合反应进行，最后石墨烯均匀分散并充分结合于聚合物基体中，得到石墨烯/聚合物复合材料的一种方法。通常先制备氧化石墨烯作为前驱体,对其进行功能化改性使之能在聚合体系溶剂中分散，还原后与聚合物进行溶液共混，从而制备石墨烯/聚合物复合材料。通过溶液共混制备复合材料的关键是将石墨烯及其衍生物均匀分散在能溶解聚合物的溶剂中。

石墨烯基本特性

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用高度定向的热解石墨首次获得了独立存在的高质量石墨烯，打破了传统的物理学观点:二维晶体在常温下不能稳定存在。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是一种碳原子分布在二维蜂巢晶体点阵上的单原子层晶体。被认为是构建所有其他维数石墨材料的基本单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，如图所示。石墨烯晶体C-C键长为0.142nm，每个碳原子4 个价电子中的3 个通过σ键与临近的3个碳原子相连，S、Px 和Py3个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构。这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。拉伸强度高达130Gpa，破坏强度为42N/m，杨氏模量为1.0TPa,断裂强度为125Gpa 与碳纳米管相当。石墨烯的厚度仅为0.35nm左右，是世界上最薄的二维材料。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。（百度百科）石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。

石墨烯结构示意图（10） 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。传统的半导体和导体，例如硅和铜，由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能。而在石墨烯中，每个碳原子都有一个垂直于碳原子平面的σz轨道的未成键的p电子，在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键，可以在晶体中自由高效的迁移，且运动速度高达光速的1/300，电子能量不会被损耗，赋予了石墨烯良好的导电性。晶格平面两侧高度巡游的大π键电子又使其具有零带隙半导体和狄拉克载流子特性宽

氧化石墨烯薄膜的光电化学性质

2011年第69卷化学学报V ol. 69, 2011第21期, 2539～2542 ACTA CHIMICA SINICA No. 21, 2539～2542 * E-mail: kzwang@https://www.wendangku.net/doc/eb16963339.html, Received April 2, 2011; revised May 25, 2011; accepted June 3, 2011. 国家自然科学基金(Nos. 90922004, 20971016)、中央高校基本科研业务费专项资金、北京市大学生科学研究与创业行动计划和北京师范大学分析测试

2540化学学报V ol. 69, 2011 器有限责任公司); 冷场发射扫描电镜(S-4800 日立高新技术株式会社); FZ-A型辐照计(北京师范大学光电仪器厂); KQ-50B型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司); 采用三电极系统, 覆盖有自组装膜的氧化铟-氧化硒(ITO)玻璃为工作电极, 铂片为对电极, 饱和甘汞电极为参比电极, 0.1 mol?L－1的Na2SO4溶液为支持电解质; 配有红外和紫外截止滤光片的500 W高压氙灯光源系统(北京畅拓科技有限公司). 试剂均为分析纯. 1.2 GO及其静电自组装薄膜的制备 在傅玲等[9]将Hummers法制备氧化石墨分为低温、中温、高温反应三个阶段的基础上, 延长中温反应时间至8 h; 充分超声剥离后, 通过脱脂棉抽滤和渗析的方法除去少量沉淀和杂质离子, 得到均一稳定的GO水溶胶, 放置7个月后无沉淀. GO的静电自组装薄膜的制备: 将按文献[10]报道的方法清洗和表面硅烷化的石英和ITO导电玻璃放入pH 3的HCl溶液中质子化处理, 使基片表面带有正电荷. 然后此基片浸入GO溶液中(1 mg?mL－1) 10 min, 取出并用去离子水清洗, 空气吹干. 1.3 光电化学性质 所有光电化学研究均以GO膜修饰的电极为工作电极, 其有效光照面积为0.28 cm2. 光电流的测量在电化学工作站上进行, 入射光的强度用辐照计测定. 不同波长的入射光是在氙灯光路上加具有所需带宽的滤光片得到. 2 结果与讨论 2.1 紫外-可见吸收光谱 图1为GO水溶液(a)和石英基片上单层薄膜(b)的紫外-可见光谱图的对比. GO在231 nm处有1个C—C键上的π-π*跃迁吸收峰, 在298 nm处有1个C＝O键上的n-π* 跃迁肩峰[11], 这与在石英片上单层薄膜在30 nm 处的吸收峰吻合, 表明GO已成功组装到基片上. 处理后的基片浸泡在1 mg?mL－1 GO溶液, 利用紫外-可见光谱对浸泡时间进行了监测(图2). 结果表明: 当在GO水溶液的浸泡时间达10 min时, 吸光度基本达最大值. 2.2 冷场发射扫描电镜 我们制备的GO水溶液具有明显的丁达尔效应, 与文献[12]报道的结果吻合. GO水溶液在铝箔上流沿. 待液体干燥后, 剪取部分于样品台上经磁控溅射镀膜(喷金)处理后, 用冷场发射扫描电镜研究其形貌(图 3). 氧化石墨因超声剥离, 脱落成许多大小为几十纳米的片状GO. 这与氧化石墨烯是一种二维结构材料及其水溶液具有明显的丁达尔效应吻合 . 图1 (a) GO水溶液和(b)石英片上GO薄膜的紫外-可见光谱Figure 1 UV-Vis spectra of (a) GO aqueous solution and (b) GO film on quartz substrate 图2基片在230 nm处的吸光度随其在GO溶胶中浸泡不同时间的变化图 Figure 2Changes in absorbance at 230 nm of protonated quartz substrate at varied immersion time in GO aqueous solution 图3GO冷场发射扫描电镜图 Figure 3 Cold-field emission scanning electron microscope image of GO 2.3 GO修饰的ITO电极的光电响应 在0.1 mol?L－1的Na2SO4溶液中, 当用100 mW/cm2的白光照射GO膜修饰的ITO电极时, 所得光电流随偏

石墨烯基础知识简介

1.石墨烯（Graphene）的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。C原子外层3个电子通过sp2杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp2杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。 如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。每个碳原子通过sp2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。 图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。 图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。前两类具有

相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。 单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。 双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 少层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC 堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。 由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱，蒙特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。这种微观褶皱在横向上的尺度在8~10nm 范围内，纵向尺度大概为 0.7~1.0nm。这种三维的变化可引起静电的产生，所以使石墨单层容易聚集。同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学及光学性质也不同。 图1.3 单层石墨烯的典型构象 除了表面褶皱之外，在实际中石墨烯也不是完美存在的，而是会有各种形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元环，七元环等）、空洞、边缘、裂纹、杂原子等。这些缺陷会影响石墨烯的本征性能，如电学性能、力学性能等。但是通过一些人为的方法，如高能射线照射，化学处理等引入缺陷，却能有意的改变石墨烯的本征性能，从而制备出不同性能要求的石墨烯器件。 2.石墨烯的性质 2.1 力学特性

石墨烯性能简介

第一章石墨烯性能及相关概念 1 石墨烯概念 石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比表面积高达2.6×102m2 /g。石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m?K))和力学性能(1.06×103 GPa)。此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。 石墨烯结构图

2 石墨烯结构 石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片，由 sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳 -碳键长约为 0.142nm。每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。 形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中，每个碳原子通过 sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。单层石墨烯厚度仅0.35nm ，约为头发丝直径的二十万分之一。 石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧。受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。 石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带形式存在。纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增大。因此，通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒。这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础。

石墨烯在光电子器件中的应用

石墨烯在光电子器件中的应用 摘要：石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱，以及极强的非线性光学特性。且因其卓越的光学与电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性，石墨烯受到了各领域学科的高度关注。本文重点综述了石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器、表面等离子体等光电子器件领域的应用研究进展，并对其未来发展趋势进行了进一步的分析。 关键字：石墨烯;光调制器;光探测器;超快脉冲激光器;表面等离子体; 1、前言 石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有独特的零带隙能带结构，是一种半金属薄膜材料。石墨烯不仅有特殊的二维平面结构，还有着优良的力学、热学、电学、光学性质。其机械强度很大，断裂强度比优质的钢材还要高，同时又具备良好的弹性、高效的导热性以及超强的导电性。石墨烯又是一种禁带宽度几乎为零的特殊材料，其电子迁移速率达到了1/300光速。由于石墨烯几乎是透明的，因此光的透过率可高97.7%。此外，石墨烯的加工制备可与现有的半导体CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor transistor)工艺兼容，器件的构筑、加工、集成简单易行，在新型光电器件的应用方面具有得天独厚的优势。 目前，人们已利用石墨烯开发出一系列新型光电器件，并显示出优异的性能和良好的应用前景。 2、石墨烯的基本性质 石墨烯具有独特的二维结构，并且能分解为零维富勒烯，也可以卷曲成一维碳纳米管，或堆积成为三维石墨。石墨烯力学性质高度稳定，碳原子连接比较柔韧，当施加外力时，碳原子面就会发生弯曲形变。 在理想的自由状态下，单层石墨烯并非完美的平面结构，表面不完全平整，在薄膜边缘处出现明显的波纹状褶皱，而在薄膜内部褶皱并不显，多层石墨烯边缘处的起伏幅度要比单层石墨烯稍小。这也说明了石墨烯在受到拉伸、弯曲等外力作用时仍能保持高效的力学稳定性。 在一定能量范围内,石墨烯中的电子能量与动量呈线性关系，所以电子可视为无质量的相对论粒子即狄拉克费米子。通过化学掺杂或电学调控的手段，可以有效地调节石墨烯的化学势，使得石墨烯的光学透过性由“介质态”向“金属态”转变。 石墨烯的功函数与铝的功函数相近，约为4.3eV，因此在有机光电器件中有望取代铝来做透明电极。近年来所观测到的显著的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，证实了石墨烯是未来纳米光电器件领域极有前景的材料。 3、基于石墨烯的光调制器 3.1 直波导结构石墨烯光调制器 光学调制是改变光的一个或多个特征参数，并通过外界各种能量形式实现编码光学信号的过程。对光学调制器件的评价有调制带宽、调制深度、插入损耗、比特能耗以及器件尺寸等性能指标。大多数情况下，光在

石墨烯介绍

获奖者2010年10月5日，2010年诺贝尔物理学奖被授予英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的研究。 PPT1安德烈·海姆，1958年10月出生于俄罗斯，拥有荷兰国籍，父母为德国人。1987 年在俄罗斯科学院固体物理学研究院获得博士学位。他于2001年加入曼彻斯特大学，现任物理学 教授和纳米科技中心主任。之前拥有此荣誉头衔的人包括卢瑟福爵士，卢瑟福于1907-1919年在曼 彻斯特大学工作。 他至今发表了超过150篇的文章，其中有发表在自然和科学杂志上的。他获得的奖项包括2007 年的Mott Prize和2008年的Europhysics Prize。2010年成为皇家学会350周年纪念荣誉研究教授。 在2000年他还获得“搞笑诺贝尔奖”——通过磁性克服重力，让一只青蛙悬浮在半空中。10年 后的2010年他获得诺贝尔物理学奖。 2010年医学奖：荷兰的两位科学家发现哮喘症可用过山车治疗。 和平奖：英国研究人员证实诅咒可以减轻疼痛。 PPT2康斯坦丁·诺沃肖洛夫，1974年出生于俄罗斯，具有英国和俄罗斯双重国籍。2004年在荷兰奈梅亨大学获得博士学位。是安德烈·海姆的博士生。 曼彻斯特大学目前任教的诺贝尔奖得主人数增加到4名，获得诺贝尔奖的历史总人数为25位。发现 石墨属于混晶，为片层结构，层内由共价键相连，层间由分子间作用力相连。共价键是比较牢固的，但分子间作用力（范德华力）小得多。因此，石墨的单层是牢固的，而层间作用力很小，极易脱落。 2004年，他们发现了一种简单易行的新途径。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。 结构

石墨烯光电探测器

石墨烯光电探测器 第一节纯石墨烯光电探测器 2.1.1 石墨烯光电探测的相关原理 有关石墨烯光电探测和光电子应用的关键原理已经被报道。这里包括光伏效应，光的热效应，热辐射效应，光选择效应和等离子体波辅助机制。 （a）（b） （c）（d） 图2.1 石墨烯光电探测原理（a）光伏效应；（b）光热电效应；（c）测辐射热效应；（d） 辅助的等离子体波机制(引自[27]) 光伏效应 光伏电流来源于由不同掺杂区域连接处内部电场或外置电场所产生的光生电子分离。石墨烯是半导体，自身会产生了大量的暗电流，不适于外置电路。内置区域可以用本身的化学掺杂，通过选通脉冲产生静电效应或者通过利用好在石墨烯和金属接触点的功函数差别来引入。石墨烯通道可为P型或N型。光电流的

方向仅依赖于电场，而非整体的掺杂程度。因而其可从p-n到n-p，或者从p-p+到p+-p之间转换信号。 光热电效应 辅助热载流子输运在石墨烯中扮演重要地位。由于这种强烈的电子-电子相互作用，光激电子对可以给载流子快速（~10-50fs）加热。因为光频声子能量（~200meV）在石墨烯中很大，辐射产生的热载流子可以保持在一个温度 上。最终热电子会与晶格之间得到平衡。 光生热电子通过光热电效应（即PTE或塞贝克效应）产生光电压=（-），其中（在V ）是不同掺杂石墨烯区域的热电动力（温差电势率），是不同区域电子温度差。 辐射热效应 辐射热效应与由入射光子产热导致的输运电导率变化相关。一个辐射热计可以通过吸收入射辐射dP，并读出导致的温度变化量dT来测量电磁辐射的强度。辐射热计的关键常数有电阻=dT/dP，还有热容量，其决定了响应时间=[28]。石墨烯有很小的体积和很低的态密度，因而得到很低的和一个很高的响应度。这里不直接产生的光电流，而要求有外置的偏压，不需要引进p-n结。 由入射光引起的电导率变化可归于以下两种机制：⑴由于相关温度改变引起载流子迁移率的改变；⑵对电流有贡献的载流子数目的改变（如PV效应)。 光门效应 光门效应是基于GRM载流子浓度n引起的光诱导的改变，因而其电导率=。第一，电子-空穴对的生成发生在GRM 中，随后其中之一被复合（例如在陷阱电荷中或者附近纳米粒子的分子中）。第二，电子-空穴对生成发生在GRM附近的纳米粒子中，分子，或者陷阱电荷中。接着，一种载流子转移到GRM，同时其他的载流子待在微粒，分子或者陷阱中。 通过运用高迁移率的导体和长的响应时间，提高光电导的增益。同时，长的减慢了运行速度。因而这类探测器可以被用在低的暂时频带宽度上，例如视频图像电流。所以合适的评估不仅来自响应度，还有其噪声等效功率（NEP）和特殊的探测能力。 辅助的等离子体波机制 Dyakonov和Shur提出了一个光电探测的方案，即通过凭借场效应晶体管

与石墨烯相关的特征

1 拓扑绝缘体 自然界的材料根据其电学输运性质，可分为导体，半导体和绝缘体。一般的导体中存在着费米面（如图a所示），半导体和绝缘体的费米面存在于禁带之中（如图b所示）。拓扑绝缘体在边界上存在着受到拓扑保护的稳定的低维金属态，这些无能隙的边缘激发处在禁带之中，并且连接价带顶和导带底（如图c，d所示）。从这个意义上讲，拓扑绝缘体是介于普通绝缘体和低维金属之间的一种新物态。根据能带理论，费米能落在晶体材料的带隙中时，材料表现为绝缘体。拓扑绝缘体的材料的能带结构类似于一般绝缘体，存在全局的能隙。但不同于一般的绝缘体，当考虑存在边界的拓扑绝缘体时，将出现贯穿整个能隙的边界态，这些特殊的边界态和体系的拓扑性质（由体系的拓扑数决定）严格对应，因而只要不改变体系的拓扑性质，这些边界态就不会被破坏。 拓扑绝缘体的典型特征是体内元激发存在能隙，但边界上或表面具有受拓扑保护的无能隙边缘激发。拓扑绝缘体的内部的电子能带结构和一般绝缘体相似，它的费米能级位于导带和价带之间，而在其表面存在一些特殊量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电。拓扑绝缘体表面或边界导电是有材料电子态的拓扑结构决定，与表面的具体结构无关。也正是因为其表面金属态的出现由拓扑结构对称性所决定，所以它的存在非常稳定，基本不会受到杂志与无序的影响。 从广义上讲，可分为两大类：一类是破坏时间反演的量子霍尔体系；另一类是最近发现的时间反演不变的拓扑绝缘体。 2半金属 semimetal halfmetal 半金属：介于金属和非金属之间的物质。从能带结构来看，金属中被电子填充的最高能带是半满的或部分填充的，电子能自由运动，有较高的电导率。绝缘体中被电子填充的最高能带是满带（又称价带），价带与导带之间的禁带宽度较大。

石墨烯简介

石墨烯简介 摘要：在碳材料中，石墨烯具有特殊的单层窝蜂状结构，由于特殊的分子结构，使得石墨烯具有优良的化学和物理性质，例如：超高的比表面积超高的比表面积(2630m2／g)，导电性能(电导率106S／m)，机械性能(杨氏模量有1TPa)等，在高科技领域中展现了巨大的潜力。同时，石墨烯在能源、生物技术、航天航空等领域都展现出宽广的应用前景。但是由于石墨烯片层之间存在范德华力，促使分子层之间易发生团聚，不利于石墨烯的分散，导致电阻率升高和片层厚度增加，无法大规模高质量的制备石墨烯。本文主要介绍石墨烯的结构，性质，制备方法，以及石墨烯在现阶段的应用。 关键词：石墨烯结构性质制备应用 目录 第一部分：石墨烯的结构 第二部分：石墨烯的性质 第三部分：石墨烯的制备方法 第四部分：石墨烯的应用及其前景第五部分：结语

第一部分：石墨烯的结构 严格意义上的石墨烯原子排列与单层石墨的相同，厚度仅有一个原子尺寸，即0．335nm，因此又被称为目前世界上已知的最薄的材料，每个碳原子附近有三个碳原子连接成键，碳．碳键长0.142nm，通过sp2杂化与邻近的三个碳原子成键形成正六边形，连接十分牢固，因此可是称为最坚硬的材料。然后每个正六边形在二维结构平面，不断无限延伸形成了一个巨大的平面多环芳烃[1]，如图1-1所示。2007年，Meryer[2]根据自己的研究发现大多数的石墨烯片层呈现单原子厚度，同时表现出有序的结构，通过透射电镜发现，该片层并非完全平整，表现出粗糙的起伏。也正因为这种褶皱的存在，才使得二维晶体结构能够存在。 图1-1石墨烯的结构构型 第二部分：石墨烯的性质 石墨烯在力学、电学、光学、热学等方面具有优异特性。 力学特性石墨烯中，碳原子之间的连接处于非常柔韧的状态．当被施加外部机械 力时，碳原子面会弯曲变形．碳原子不必重新排列来适应外力，因此保持了结构稳定。石墨烯是人类已知强度最高的材料，比世界上强度最高的钢铁高100多倍。 电学特性石墨烯具有超高的电子迁移率，它的导电性远高于目前任何高温超导材 料。曼彻斯特大学的研究小组在室温下测量了单层石墨烯分子的电子迁移率，发现即使在含有杂质的石墨烯中，电荷的迁移率仍可达10000cm2/(v·s)。2008年，海姆研究小组又证明．电子在石墨烯中的迁移率可以达到前所未有的 200000cm2/(v·s)。不久之后，哥伦比亚大学的博洛京(K．Bolotin)将这个数值再次提高到250 000cm2/(v·s)。而目前晶体管的主要材料——单晶硅的电子迁移率只有1400cm2/(v·s)，高纯度石墨烯的电子迁移率超过单晶硅150倍以上。此外，石墨烯的电子迁移率几乎不随温度变化而变化。 光学特性石墨烯几乎是完全透明的，只吸收大约2．3％的可见光，光透率高达97．7％。石墨烯层的光吸收与层数成比例．数层石墨烯(FLG)样品中的每一层都可以看做二维电子气，受临近层的扰动极小，其在光学上等效为几乎互不作用的单层石墨烯(SLG)的叠加。单层石墨烯在300～2500纳米间的吸收谱平坦，在紫

石墨烯的特殊性能

石墨烯的特殊性能 摘要：石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料，它是由碳原子组成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚。石墨烯因其具有独特的电子能带结构和具相对论电子学特性，是迄今为止人类发现的最理想的二维电子系统，且具有丰富而新奇的物理特性。本文详细介绍了石墨烯的结构，特殊性能以及对石墨烯原胞进行了5×5×1的扩展，通过密度泛函理论 ( DFT) 和广义梯度近似( GGA)对50个碳原子的本征石墨烯超晶胞进行电子结构计算。 关键字：石墨烯，结构，特殊性能，超晶胞，电子结构计算 一、引言 石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料，石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m〃K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积 (2630mZ／g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及 复合材料等领域有光明的应用前景 二、石墨烯的特殊性能 石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料，在靠近布里渊区6个角处的低能区，其E-k色散关系是线性的 ,因而电子或空穴的有效质量为零，这里的电子或空穴是相对论粒子，可以用自旋为1／2粒子的狄拉克方程来描述。 石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm／(V〃s)(载流子浓度n≈10 cm )，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关，说明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200000cm ／(V〃s)，其相应的电阻率为lO -6 〃cm，

石墨烯的光电特性及应用

石墨烯的光电特性及应用 发表时间：2018-05-22T16:11:26.693Z 来源：《基层建设》2018年第4期作者：葛正源 [导读] 摘要：石墨烯独特的光电特性吸引了许多领域中的学者进行研究，在纳米材料领域这种材料更是有着很大的关注力度。 北京送变电有限公司北京 102401 摘要：石墨烯独特的光电特性吸引了许多领域中的学者进行研究，在纳米材料领域这种材料更是有着很大的关注力度。有关学者也语言石墨烯在未来可能代替硅化材料，发展成为电子元件发展的重要部件，本文也综述了这种物质的光电特性及其应用。 关键词：石墨烯；光电特性；应用 一、石墨烯概述 石墨烯是科学家最早发现的一种具有稳定二维结构碳的材料，是一种理想的二维碳质晶体。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，它是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面状薄膜。石墨烯是碳的多种形态中的基本结构单元，单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335nm，碳的其他存在形态为碳纳米管、石墨、富勒烯、金刚石（图 1）。石墨烯是已知自然界稳定存在的最薄的材料，并且具有极大的比表面积、超高的导热率、超强的导电性和强度等优点，因此其拥有良好的应用和市场前景。 2004年英国曼彻斯特大学的2位物理科学家——安德烈?海姆教授（Geim）和康斯坦丁?诺沃肖洛夫教授（KonstantinNovoselov），在实验室中成功从天然石墨片中第一次剥离出了具有二维结构的石墨烯，从而证明了二维材料在自然状态下可以单独存在，因这个革命性和颠覆性的发现，2位教授共同在2010年获得诺贝尔物理学奖。在此背景下，石墨烯的众多方向研究如火如荼的展开，并且迅速在全球范围里掀起了石墨烯制备、石墨烯复合技术和材料、石墨烯下游产品等的研究热潮。石墨烯材料超强的物理、化学和机械等主要特性如图2所示。 目前石墨烯的制备方法主要分为“自下而上（down-up）”和“自上而下（up-down）”2大类方法。而“自下而上（down-up）”法是通过碳原子的重构来合成石墨烯材料，是从一种形态到另一种形态的转变，它包括化学气相沉积法（CVD）、外延生长法、有机合成法等。“自上而下（up-down）”法是通过剥离天然石墨材料来制备石墨烯片层，可以分为物理法和化学法，如微波机械剥离法、物理液相剪切分离法、电弧法、氧化还原法、超临界法、碳纳米管轴向切割法等。 基于石墨烯材料具有独特的二维结构和优异的电学、光学、机械、声学、电化学、力学、热学等性能，它是极具发展前景和潜力的电池电极材料。目前把石墨烯做为电池导电剂是石墨烯研究的一个热点方向。 图2石墨烯的主要物理化学特征 二、石墨烯材料主要特性 1、石墨烯的电学性质 石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成，这种构成方式会多出一个p轨道的电子，从而形成大π键，π电子可以自由的移动，这赋予了石墨烯优异的电子学性能。石墨烯原子与原子之间的引力和排斥力都很强，在常温状态，石墨烯内部的电子很少会受到外部影响，电子在移动时不容易产生散射现象，迁移率是硅中电子的130倍，其电导率达到了106S/m，是常温下导电性最佳的材料。另外石墨烯还具有半金属特性，它的导带和价带之间有一部分是重叠的。利用这一特性，人们已经开始试着把石墨烯应用到高性能的场效应管中。现制造大面积的石墨烯薄膜的技术已经比较成熟，这加大了它在电子信息领域应用的可能性。石墨烯晶格具有六方对称性。 2、石墨烯的光学性质 石墨烯有着非常优良的透光性，在近红外，以及可见光波段的透光率，单层石墨烯可高达98%。在可见光区，单原子层厚度的石墨烯所反射的光小于入射光的0.1%，当达到数十层时，会上升到2%左右。Li等人对石墨烯进行了研究，利用700—8000cm1谱段，发现石墨烯内部结构中存在多子交互作用（Many—BodyInteractions）。石墨烯是一种“光学透明”的导体，具有稳定的晶格结构，电子在石墨烯上以恒定的速率移动，石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。石墨烯里电子的有效质量为零，这和光子的行为极为相似。 三、石墨烯光电应用领域 1、光电探测器 光电的探测是将光能信号转换为电流信号。传统的光电检测都是基于传统半导体材料进行的，这些检测器的性能会因为材料属性的限制而改变。和传统的半导体材料相比较，石墨烯没有能带的间隙，可以吸收的光范围也是较大的。除此之外，过高的载电子迁移率让石墨烯成为科学家眼中制作光电探测器的优异材料。 最近几年，学者Ecthermeyer等人利用金属的等离子体和石墨烯进行结合，这种方法所得出的结构是和石墨烯光电探测的光电流一致的，而且这比较于没有等离子纳米结构的元件来说要高出一个数量级。而且因为等电子体产生一定的共振，纳米结构的稳定性被大大提高，单层原子厚度的石墨烯可以全面的受到这种等离子体的增强。 2、透明导体 所谓透明导体，是指由触摸屏、二极管以及太阳能电池组成的，对于表面电阻和透明度要求较高的器件的核心组件。作为电极的设备

最新石墨烯在热领域的特性及利用整理

一．特性机理： 在石墨烯中，碳原子在不停的振动，振动的幅度有可能超过其厚度。其中最重要的石墨烯的晶格振动，不 仅仅影响石墨烯的形貌特征，还影响的石墨烯的力学性质、输运特性、热学性质和光电性质。 对石墨烯的热学性质的影响主要是由于石墨烯晶格振动。 由石墨烯的导热系数经验公式 可得如下图表 从图中看出来石墨烯的导热系数随温度的增加而减小。在同一温度下，导热系数随石墨烯的宽度的增加而 增加。 由经典的热传导理论可知，随着温度的升高，晶格振动加强，声子运动剧烈，热流中的声子数目也增加。 声子间的相互作用或碰撞更加频繁，原子偏离对平衡位置的振幅增大，引起的声子散射加剧，使导热载体(声子)的平均自由程减小。这是石墨烯的导热系数随温度升高而降低的主要原因。对于石墨烯，电子的运动对 导热也有一定的贡献，但在高温情况下，晶格振动对石墨烯的导热贡献是主要的，起主导作用。二．应用：

发热： 由石墨烯制成的加热膜与传统取暖方式相比， 1加热速度快（1min内达到稳定工作温度，而传统取暖如油汀需要20min才能达到稳定温度）； 2电热辐射转换效率高（经第三方检测，电热辐射转换效率达80%以上），与传统取暖方式相比可节能省电； 3石墨烯加热膜是整个面加热，温度均匀分布； 4石墨烯加热膜与某些对人体有害辐射的取暖方式相比是安全的。 例子： 1制作理疗护具 石墨烯的高导电、导热性能应用在理疗护具领域，利用石墨烯在发热过程中产生的远红外线，与人体波长 相同，产生共振作用，形成热反应，深入皮下组织，使毛细血管扩张，促进血液循环，强化组织新陈代谢，提高机体免疫能力，排除疲劳，缓和酸痛，从而起到消炎、镇痛的理疗保健作用。 2制作发热服 石墨烯智能发热服将石墨烯独特的导热性能和日常穿戴完美结合，为人体营造温暖舒适的感受，通过手机 端app的控制可以使得发热服迅速升温，产生对人体有益的远红外线，为生活带来更好的健康理疗体验， 重新定义温暖。 散热： 石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK，不仅优于碳纳米管，更是远高于金属中导热系数最高的银、铜、金、铝等，因此石墨烯作为辅助散热的导热塑料或者膜片具有巨 大的应用前景。 1石墨烯导热塑料的开发，可以为各种散热需求提供性能更加优异的新型的散热产品，例如各种电子设备 （如LED灯）的外壳散热，目前国外已经有厂家开发出了成型的导热塑料并进入市场。 例子：飞利浦MASTER LED MR16 新式灯具作为全球首例大功率LED应用，其铝制外壳已经被帝斯曼公 司开发出的Stanyl TC 导热塑料所取代，其效果不仅达到了同等级的散热目的，而且整个灯具更轻，耐腐 蚀。 2石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片，实测的热导率可达到1000W/mK以上，同时膜片具有良好的柔韧性易于加工。散热薄膜是计算机、手机制造中的关键材料 例子：苹果手机目前用的散热膜是用石墨片制成的，因此高性能的石墨烯散热薄膜是如智能手机、平板电 脑等高性能、超薄电子产品的理想散热材料。

石墨烯光学性质

石墨烯具有优异的光学和电学性能，与硅基半导体工艺的兼容性，独特的二维原子晶体材料，优异的机械性能，超高的热导率和载流子迁移率，超带宽的光学响应谱极强的非线性光学特性。新型光学和光电器件领域，基于石墨烯的新型光电器件先后被研制出。光子和光电子器件领域的应用。 1.全内反射结构下，石墨烯与光相互作用的增强及其偏振依赖性质，以及该性质在光学传感、光存储、细胞传感方面的发现。 2.光电探测、全内反射结构、偏振吸收、光学传感 3.金刚石石墨（三维）石墨烯（二维）碳纳米管（一维）富勒烯（零维）组成完整碳材料家族，除金刚石外所有碳晶体的基本结构单元。 4.制备，石墨烯缺乏带隙以及室温下的超高电子迁移率、低于银铜的电阻率、高热导率，在光电晶体管、生化传感器、电池电极材料和复合材料有很高应用价值。光电探测 5.石墨烯能带结构；紧束缚近似；最近邻相互作用；置次晶格的对称性；布里渊区的k 和k ’点导带和价带是简并的，导致石墨烯能带的线性色散关系；此处电子表现为狄拉克菲米子；k 和k ’附近的电子能量的色散关系表现为各向同行的特点，称为狄拉克锥；远离k 和k ’位置，等能面变为扭曲的三角形，反映了碳原子六边形晶格的对称性；离k 和k ’更远处的M 点为一个鞍点，此处沿着M-K ，M-Γ方向运动的电子具有正负的有效质量。在布里渊区中心Γ，导带和价带的π电子态具有20ev 的能量差。Γ点附近的能带的等能面也表现为各向同性的特点，但色散关系为双曲线型。 6.本征石墨烯，费米能级位于狄拉克点处；此时电子通过带间跃迁从价带迁到导带；对于n 型和p 掺杂的石墨烯，费米能级会移动，n 型掺杂，掺入的电子将填充导带底，因此费米能级上移。导带底部和价带顶部的电子吸收能量都可以发生跃迁。价带电子至少获得F E 2的能量才能发生带间对称跃迁。特殊的能带结构，所以具有其他半导体材料所没有的特殊光学性质。 7.石墨烯光学性质；布里渊区k 点能量和动能成线性关系，载流子有效质量为0；有别于传统材料电子结构；具有量子霍尔效应和室温下的载流子近弹道传输。单层石墨烯吸光率很高；狄拉克电子的线性分布使石墨烯对从可见到太赫兹卡宽波段每层吸收 2.3%的光。狄拉克电

石墨烯材料简介

石墨烯材料简介 在构成纳米材料的众多元素中，碳元素值得我们格外重视。作为自然界中性质最为奇特的元素，碳（C）在原子周期表中的序号为六，属于第Ⅳ族。碳原子一般是四价的，最外层有4个电子，可与四个原子成键。但是其基态只有两个单电子，所以成键时总是要进行杂化。由于较低的原子序数，碳原子对外层电子的结合力强，表现出较高的键能，容易形成共价键，故自然界中碳元素形成的化合物形式丰富多彩。 关于碳与碳原子之间或碳与其它原子间以共价键相结合，有杂化轨道和分子轨道的理论。在形成共价键过程中，由于原子间的相互影响，同一个原子中参与成键的几个能量相近的原子轨道可以重新组合，重新分配能量和空间方向，组成数目相等的，成键能力更强的新的原子轨道，称为杂化轨道。在有机化合物中，碳原子的杂化形式有三种：sp3、sp2和sp杂化轨道。以甲烷分子（CH4）为例，碳原子在基态时的电子构型为1S22S22Px12Py12Pz0按理只有2px和2py可以形成共价键，键角为90°。但实际在甲烷分子中，是四个完全等同的键，键角均为109°28′。这是因为在成键过程中，碳的2s轨道有一个电子激发到2Pz轨道，3个p轨道与一个s轨道重新组合杂化，形成4个完全相同的sp3杂化轨道。每个轨道是由s/4与3P/4轨道杂化组成。这四个sp3轨道的方向都指向正四面体的四个顶点，轨道间的夹角是109°28′。得益于碳原子丰富多样的键合方式和强大的键合能力，氧、氢、氮等各种元素被有机的组合在一起，形成碳的化合物，最终构成了令人惊叹的生命体。 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。由于碳原子之间不同的杂化方式，能形成结构和性质迥异的多种同素异型体，其中最为人知的存在形式是金刚石和石墨。当每个碳原子与四个近邻碳原子以共价键结合（sp3杂化）时，形成各向同性的金刚石。此时，四个价电子平均分布在四个轨道中，形成稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。因此金刚石是自然界中坚硬的材料。而当碳原子表现为sp2杂化时，碳原子在同一平面内与三个近邻原子以共价键结合；第四个价电子成为共有化电子：未经杂化的p轨道垂直于杂化轨道，与邻原子的p轨道成π键。当出现多个双键时，垂直于分子平面的所有p轨道就有可能互相重叠形成共轭体系，柔软的石墨和某些烷烃中的碳原子即以此形式存在。

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WORD整理版 1.石墨烯（ Graphene）的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。如图 1.1 所示，石墨烯的原胞由晶格矢量 a1和 a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于 A 和 B 的晶格上。 C原子外层 3 个电子通过sp2杂化形成强σ 键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4 个电子为公共，形成弱π键（紫）。石墨烯的碳 - 碳键长约为 0.142nm，每个晶格 内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp2杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形 成一个离域π 键，其贯穿整个石墨烯。 如图 1.2 所示，石墨烯是富勒烯（0 维）、碳纳米管（ 1 维）、石墨（3 维） 的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。形象来说，石墨烯是由单层 碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。每个碳原子通过 sp2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实 际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为 0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。

图 1.1 （ a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。 专业学习参考资料

WORD整理版 图 1.2 石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图 石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。前两类具有相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石 墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两 片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出 明显的关态。 单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期