石墨烯的合成与应用

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1、石墨烯的合成与应用黄桂荣，陈建(四川理工学院材化系自贡643000)摘要：本文论述了石墨烯非凡的物理及电学性质，包括电子输运一零质量的狄拉克一费米子行为，量子霍耳效应，最小量子电导率，量子干涉效应的强烈抑制等：石墨烯的机械和化学制备方法和石墨烯在在纳电子器件方面、计算机芯片取代硅、制造最快的碳晶体管、减少噪声方面和潜在的储氢材料领域等方面的应用。关键词：石墨烯，量子霍耳效应，量子电导率ThesummaryonthesynthesisandapplicationsofgrapheneHuangGuiRong，ChenJian(SichuanUniversityofScienceandEngin

2、eeringZigong643000)Abstract：Thispapersummarizedtheextraordinaryphysicalandelectricalpropertiesofgraphene，includingelectrontransport-MasslessDiracFermionbehavior,AnomalousquantumHalleffect(chiral，RT)，Minimumquantumconductivity,Suppressionofquantuminterferenceeffect，etc；themechamcalandchemicalsynthes

3、ismethodsofgrapheneandtheapplicationsofgraphemeonnonaelectronicdevices，computerchipreplaceofsilicon，manufacturingthefastesttransistor,reduceyawpandpotentialHydrogenstorage，etc．Keywords：Graphene，AnomalousquantumHalleffect，Minimumconductivity,前言石墨烯(如图1)是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状(honeycomb)晶格结构的一种碳质新材料㈡这种石墨晶体薄膜

4、的厚度只有0．335纳米，厚度仅为头发的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(如图2)，具有极好的结晶性及电学性。完美的石墨烯(graphene)是二维的，它只包括六角元胞(等角六边形)；如果有五角元胞和七角元胞存在，那么他们构成石墨烯的缺陷；如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲入形状：12个五角元胞的会形成富勒烯fullerene。黧糜图1该图系单层石墨烯AFM图像”l，箭头出的台阶高度为0．8nm80庶，《”矮》名蠢糍謇墓蠡P蠢星西蠹誊名建蔼鏊嚣尹裔最毽蓬蒜尹黛鞋漂辫蕊鏊稿蕊静d鲞囊蠹静黛蓬鞴鼢疆巍毫窝黧妒搿瓣戳嚣辫泸图2石墨烯及其构建的

5、零维富勒烯，一维纳米碳管和三维石墨【5】石墨烯的理论研究已有60多年的历史，被广泛用来描述不同结构的碳质材料的性能。20世纪80年代，科学家们开始认识到石墨烯可以作为(2+1)维量子电动力学的理想理论模型。但一直以来人们普遍认为这种严格的二维晶体结构由于热力学不稳定性而难以独立的稳定的存在。然而真正能够独立存在的二维石墨烯晶体(图3)由2004年英国曼彻斯特大学的Novoselox；等P】利用胶带剥离高定向石墨的方法获得，并发现石墨烯载流子的相对论粒子特性p4l，从而引发石墨烯研究热。图3(a)石墨烯的原子力显微像【5]；(b)高分辨透射电子显微像％(c)结构示意图f5J石墨烯在过去的短短3

6、年内已充分展现出在理论研究和实际应用方面的无穷魅力，迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿f5]。研究发现，在不需要任何传统化学稳定剂的情况下，石墨烯可以在水中稳定地分解分层，有望应用于可减少静电现象的涂层的研制。2．石墨烯的性质2．1．电子输运一零质量的狄拉克一费米子行为(MasslessDiracFermionbehavior)石墨烯中存在着丰富而新奇的物理现象，具有重要理论研究价值。石墨烯是零带隙半导体，独特的载流子特性是其备受关注的重要原因之一。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．Qaiumz

7、adehH喧#根据GW近似值计算了石墨烯在无序状态下在兰道费米子液体内的准粒子特性，即零质量的狄拉克一费米子(masslessDiracfermions)，具有类似于光子的特性，在低能区域适合于采用含有有效光速81蛰霪．(Vr=106米／秒)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。2．2．量子霍耳效应【7]AnomalousquantumHalle