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石墨烯的性质及其发展

graphene 2021-06-23 08:59 138

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1、目录一、概述 2(一)基本概念与内涵 2(二)军事需求分析 10二、国内外研究概况、水平和发展趋势 22(一)国外研究现状及发展趋势 22(二)国内研究发展情况 29(三)国内外对比分析 31三、项目研究总目标 32(一)本项目总体目标 32(二)关键科学问题 32四、重点研究课题和主要内容 33(一)研究课题及主要内容 33(二)经费预测 45(三)风险分析 46五、与相关计划的关系 49六、应用前景分析 50七、政策措施 50八、项目论证组成员 51一、概述(一)基本概念与内涵石墨烯概念石墨烯是由单层sp2级杂化碳原子组成的六方点阵蜂窝状二维结构, 包含两个 等

2、为0.35纳米,C-C键长为0.142牛米,其独特 的稳定结构使之具有不同于其它材料的优良性能。石墨烯是一种零带隙半导体材 料,超高的载流子迁移率,是商用硅材料迁移率的140倍,达到200000cm2秒,高于目前已知的任何半导体材料。在典型的100纳米通道晶体管中,载流子在源和漏之间传输只需要0.1秒,因此可应用于超高频器件,为提供一种扩展亨特频率到太赫兹成为可能。在石墨烯上,整流栅电极可以相隔几纳米放置,这样沟 道更短而且传输更快。导热性能优良,热导率是金刚石的三倍,达到5000瓦/立方米超大的比表面积,达到 2630m2/g;此外,它非常坚硬,强度

3、, 达到130 GPa,研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品,能用来生产未来的超 级计算机。材料热导率(带cmK)电子迁移率2(cm/Vs)饱和电子漂移速度(107cm/s)硅1.512001.0InP0.684600SiC4.96002.0GaN1.515002.7石墨烯502000010有关专家认为,石墨烯很可能首先应用于高频领域,是超高功率元器件的 潜质材料。石墨烯特殊的结构,使其具有完美的量子隧道效应、 半整数的量子霍 尔效应、从不消失的电导率等一系列性质,引起了科学界巨大兴趣,掀起了一股 研究的热潮。安德烈 海姆和康斯坦丁 诺沃肖洛夫因其在石墨烯二维材料方面的原创

4、性杰出工作被授予2010年诺贝尔物理学奖100000安培七-qcJLU公司一rao10.00010000石墨烯ZCNT IlnSbIn As40.20.4lnyGa;其中C为二维自旋泡利矩阵,k为准粒子动量,VF=106m/s为费米速度, 近似为光速的1 /300,该哈密顿量给出的色散关系为 E=|香港| vf值得注意 的是石墨烯中能量E与动量k间为线性关系,使得单层 石墨烯表现出许多不同于其他传统二维材料的特性。在狄拉克点处(K和K等),波函数属于 两套不同的子晶格,需要用两套波函数描述,类似于描述量子力学中的自旋态 (向上和向下)的

5、因此称为赝自旋。由于准粒子采用“ 2 + 1”维低能狄拉克方程描述,模拟量子电动力学表述,在石墨烯中引入手性。手性和赝自旋是石墨烯中两个重要参量,正是由于手性和赝自旋的守恒,使石墨烯出现了许多新奇的性质。对于双层石墨烯哈密顿量为:0(kx)-此尸(kx+iky)2 0焦耳可以看出,此哈密顿量虽然不是严格的狄拉克形式,但是只有非对角项不为 零,具有较特殊的形式,类似单层石墨中的哈密顿量形式,仍然给出的是一种准粒子。这种准粒子同样具有手性,但是有效质量不为0,m0.05mo(mo为电子质量)。双层石墨烯的结构和低能量处的能带如

6、a)所示,双层石墨烯不再具有线性色散关系,而是近似抛物线状能带结构,如下图 ((二)所示。((一)双层石墨烯结构示意图与低能量处的能带图;((二)理论计算能带图,导带(价带)中能量较高(较低)的子能带未画出。在低能量处,色散关系不再满足线性关系,而是抛物线形式。石墨烯作为理想的二维材料,说它是所有石墨碳元素结构形态的基础也不为过,它可以包裹起来形成零维的富勒烯, 卷起来形成一维的碳纳米管,也可层层堆积形成三维的石墨,石墨烯的能带结构在理论上已经被研究了几十年,它可以认为是一种零禁带半导体材料,能带交叠为一点,而且由电子完全占据的价带 和由空穴完全占据的导带关于这些交叠

7、 )完全对称。在K和K点附 近,石墨烯中的电子由于受到周围对称晶格势场的影响, 电子的有效质量变为 0, 传统的描述电子运动的薛定谔方程被狄拉克 ((狄拉克)方程所取代,因此K和K点 也被称为狄拉克点。 在狄拉克点处, 需要用两套波函数来描述两套的子晶格, 类 似于描述量子力学中的自旋的波函数, 因此称为赝自旋。 在狄拉克点附近, 能量 与波矢成线性的色散关系E=|香港| vf,费米速度是光速的1/300,呈现相对论的 特性,因此石墨烯为我们研究量子电动力学现象提供了最直接的实验平台。 模拟 量子电动力学表述, 可以在石墨烯中引入手性。 手性

8、于手性和赝自旋导致的简并,使石墨烯出现了许多新奇的性质。石墨烯作为一种半金属材料,内部载流子浓度高达1013cm-2实验表明,石墨烯的迁移率几乎与温度无关,即使在室温下迁移率也主要受杂质或缺陷的影 响,所以可以通过提高晶体质量来提高载流子的迁移率。 最近,理论和实验均已 证实石墨烯具有双极场效应, 通过门电压的调制, 它的载流子可以在电子和空穴 间连续地过渡,使其显现出n型、p型特性。由于石墨烯特殊的晶体结构和能带 结构,通过控制其几何构型及边缘的手性可以使其呈现金属或半导体特性。 石墨 烯在室温条件下也可以观察到它的量子霍尔效应, 这与通常的半导体、 金属材料 完全不

9、子输运不符合薛定谔方程的描述, 而符合狄拉克相 对论方程, 所以其量子霍尔效应异于传统的二维电子气体: 单层石墨烯的量子霍 尔效应的量子序数相对于标准的量子霍尔效应的量子序数移动了 1/2,而双层石 墨烯的量子霍尔效应相对于标准的量子霍尔效应丢失了量子序数为 0的第一个 平台。在凝聚态物理领域,材料的电学性能常用薛定谔方程描述。而石墨烯的电 子与蜂窝状晶体周期势的相互作用产生了一种准粒子, A.Qaiumzadeht先生等根据 吉瓦近似值计算了石墨烯在无序状态下在朗道费米子液体内的准粒子特性, 即零 质量的狄拉克-费米子(无质量狄拉克费米子具

10、,在低 能区域适合于采用含有有效光速(VF=106m/s)的(2+1)维狄拉克方程来精确描述。因 此,石墨烯的出现为相对论量子力学现象的研究提供了一种重要的手段。在石墨烯的电学性能研究中发现了多种新奇的物理现象,包括两种新型的 量子霍尔效应 (整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应) ,零载流子浓度极限下 的最小量子电导率,量子干涉效应的强烈抑制及石墨烯 p-n公司结界面的电流汇聚特性等,石墨烯表现出异常的整数量子霍尔行为, 其霍尔电导=2e2/h、6e2/h、IOe2/h为量子电导的奇数倍,且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电 子在石墨烯里遵守相对论量子力学,没有

11、无电子“.2007年,先后三篇文章声称在石墨烯的p-n公司或p-n-p公司结中观察到了分数量子霍尔行为。理 论物理学家已经解释了这一现象。石墨烯的合成方法主要有微机械分离法、取向附生法、化学分散法、加热碳化硅法等。最普通的是微机械分离法,直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年,K.S.Novoselov、A.K.Geim等人通过使用简单的胶带解理体石墨,轻 松地获得了单层自由状态的 石墨烯Novoselov等利用胶带将石墨逐渐撕薄, 在得到的小片石墨薄层的边缘出现单层、双层、三层等石墨烯薄片,采用传统光刻工艺,可以将石墨烯分离,得

12、自由状态的 石墨烯见下图)。目前, 在大部分有关石墨烯的研究中,使用的样品是采用此类方法制备。石墨烯薄膜((一)光学显微镜下观测到的大尺度的石墨烯薄片;((二)在薄片边缘的 原子力显微镜图像,2卩米X 2卩m、 (三)单层石墨烯的原子力显微镜图像,深棕色为二氧化硅基底,棕红色为单层 石墨烯取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯,首先让碳原子在1150摄氏度下渗入钉,然后冷却到850摄氏度后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钉表面, 镜片形状的单层的碳原子“孤岛”布满了整个基质表面,最终它们可长成完整的 一层石墨烯。采用这种方法生产的

13、匀,且石墨烯和基质之间的黏 合会影响碳层的特性。化学分散法是将氧化石墨与水以1毫克/毫升的比例混合,用超声波振荡至溶液 清晰无颗粒状物质,加入适量肼在100摄氏度回流24小时产生黑色颗粒状沉淀,过滤、烘干即得石墨烯加热碳化硅法是通过加热单晶碳化硅衬底脱除硅,在表面上分解出石墨烯片层。具体过程是: 将经

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