新型材料——单原子石墨膜

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1、新型材料——单原子石墨膜　　引言　　XX年10月，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖项，授予在英国曼彻斯特大学任教的两位俄罗斯裔科学家：安德列•吉姆；把单层卷起来，则形成一维的碳纳米管;而把它们按三维堆积在一起，就构成了通常的体石墨。所以，graphene材料实际就是各种碳基材料的最基本的组成原料。　　由此看来，将graphene材料直译作“石墨烯”，虽然符合化学名词译法的惯例，但此种译法容易出现混淆。不如采取意译的方式，除保留“石墨”这个词根外，再加上“单原子层”的含义——即“单原子石墨膜”为妥。本文将采用这一译名，

2、对这种材料的能带结构、性能、可能的应用前景以及主要的制备方法做一简单介绍，以供参考。　　一单原子石墨膜能带结构及性质　　单原子石墨膜，是碳原子在二维平面上按蜂房结构密集排列的一层单原子碳薄膜。每个碳原子最外层4个电子，占据1个2s轨道和3个2p轨道。当碳原子彼此靠近形成单原子层碳晶格时，2s轨道与分子平面内的2个2p轨道重叠，形成σ-σ*新型材料——单原子石墨膜　　引言　　XX年10月，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖项，授予在英国曼彻斯特大学任教的两位俄罗斯裔科学家：安德列•吉姆；把单层卷起来，则形成一维的碳纳米管

3、;而把它们按三维堆积在一起，就构成了通常的体石墨。所以，graphene材料实际就是各种碳基材料的最基本的组成原料。　　由此看来，将graphene材料直译作“石墨烯”，虽然符合化学名词译法的惯例，但此种译法容易出现混淆。不如采取意译的方式，除保留“石墨”这个词根外，再加上“单原子层”的含义——即“单原子石墨膜”为妥。本文将采用这一译名，对这种材料的能带结构、性能、可能的应用前景以及主要的制备方法做一简单介绍，以供参考。　　一单原子石墨膜能带结构及性质　　单原子石墨膜，是碳原子在二维平面上按蜂房结构密集排列的一层单原子碳薄膜。

4、每个碳原子最外层4个电子，占据1个2s轨道和3个2p轨道。当碳原子彼此靠近形成单原子层碳晶格时，2s轨道与分子平面内的2个2p轨道重叠，形成σ-σ*强共价键。此键十分坚固，把碳原子紧密地连接在一起，形成二维平面内的蜂房结构。此键对碳晶格的电导没有贡献。碳原子外层电子中剩下一个未成对的2p轨道，其方向垂直于分子平面，在形成碳晶格过程中，杂化形成π键和π*。导带与价带，在蜂房结构晶格布里渊区顶角的两个不等价点K和K’相互接触。低能量能带结构，近似为K和K’点上的两个对顶角园锥。在狄拉克点附近，载流子能量色散关系是线性的，电子的动力

5、学是按“相对论”处理。导带与价带的电子态具有相反的手征性。当多数电子具有相同的手征性时，其相互作用能量降低。这点，与铁磁物质中大多数粒子具有相同自旋时，其相互作用能量降低类似。　　由于石墨膜这种特殊的能带结构，使其载流子具有非常独特的物理性质。通常，在凝聚态物理中，采用薛定谔方程就足够描述材料体系的电学性质。例如，在典型的半导材料中，电子与空穴分别占据导带和价带。导带和价带之间存在一个有限能量的带隙。载流子获得超过带隙的能量后，才能从价带跃迁到导带。电子与空穴的运动，符合一般粒子的运动规律：它们具有质量，当它们被加速时，其速度

6、从零开始增加，而且它们的动能正比于其速度的平方。然而在石墨膜中，电子与空穴的行为完全不同于常规粒子运动规律：这里的电子与空穴具有一个恒定的速度VF(费米速度)，它不依赖于粒子运动的动能,这一点类似于光子的行为，即光子总是以恒定光速c运行。而在石墨膜中，电子与空穴的速度要比光速慢，大约是光速的1/300，即费米速度VF≈1×108cm/s。电子与空穴的运动规律不能再用薛定谔方程描述，而是要采用维的狄拉克方程精确描述。这类准粒子称为无质量狄拉克-费米子。在形式上可以把它们看作是失去了静止质量的电子，或者是获得了电子电荷的中微子。因

7、此，实验研究石墨膜材料的电学性质，可以为从理论上探索量子电动力学现象开辟出一条实验研究的路径，这在基础科学研究中具有重要意义。此外，石墨膜的特殊电子态结构，也极大地影响其中的量子输运现象。众所周知，当电子被限制在二维半导体材料中时，能够观察到量子力学增强输运现象，例如量子霍尔效应：即在垂直于霍尔样品平面的磁场作用下，霍尔电导率与载流子浓度之间出现一系列等间距的导电率“平台”。与这些平台相对应，霍尔样品纵向的电阻率，降低到近似为零的极小值。这个现象被称之为“量子霍尔效应”［4］。然而，对于通常的二维半导体系统，这些电导率平台与纵

8、向电阻率极小值，是出现在传导量子为整数值的位置。对于石墨膜而言，这些平台和电阻率极小值是出现在传导量子为半整数值的位置上［3］。不仅如此，对于通常的二维半导体材料，只能在极低的温度下，才能观察到量子霍尔效应。但对于石墨膜，甚至在室温下，还能观察到这个现象［5］。这是因为在石墨