石墨烯的性質(zhì)及其發(fā)展

《石墨烯的性質(zhì)及其發(fā)展》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、目錄一、概述2（一）基本概念與內(nèi)涵2（二）軍事需求分析10二、國(guó)內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)22（一）國(guó)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)22（二）國(guó)內(nèi)研究發(fā)展情況29（三）國(guó)內(nèi)外對(duì)比分析31三、項(xiàng)目研究總目標(biāo)32（一）本項(xiàng)目總體目標(biāo)32（二）關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題32四、重點(diǎn)研究課題和主要內(nèi)容33（一）研究課題及主要內(nèi)容33（二）經(jīng)費(fèi)預(yù)測(cè)46（三）風(fēng)險(xiǎn)分析47五、與相關(guān)計(jì)劃的關(guān)系50六、應(yīng)用前景分析51七、政策措施51八、項(xiàng)目論證組成員5255一、概述（一）基本概念與內(nèi)涵石墨烯概念石墨烯是由單層sp2雜化碳原子組成的六方點(diǎn)陣蜂窩狀二維結(jié)構(gòu)，包含兩個(gè)等價(jià)的子

2、晶格A和B。它的單層厚度為0.35nm，C-C鍵長(zhǎng)為0.142nm，其獨(dú)特的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使之具有不同于其它材料的優(yōu)良性能。石墨烯是一種零帶隙半導(dǎo)體材料，超高的載流子遷移率，是商用Si材料遷移率的140倍，達(dá)到200000cm2/V×s，高于目前已知的任何半導(dǎo)體材料。在典型的100nm通道晶體管中，載流子在源和漏之間傳輸只需要0.1ps，因此可應(yīng)用于超高頻器件，為提供一種擴(kuò)展HEMT頻率到THz成為可能。在石墨烯上，整流柵電極可以相隔幾納米放置，這樣溝道更短而且傳輸更快。導(dǎo)熱性能優(yōu)良，熱導(dǎo)率是金剛石的3倍，達(dá)到5000W/m×K；超大的比表

3、面積，達(dá)到2630m2/g；此外，它非常堅(jiān)硬，強(qiáng)度是鋼的100多倍，達(dá)到130GPa。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。材料熱導(dǎo)率(W/cmK)電子遷移率(cm2/Vs)飽和電子漂移速度(×107cm/s)Si1.512001.0InP0.684600SiC4.96002.0GaN1.515002.7Graphene5020000010有關(guān)專家認(rèn)為，石墨烯很可能首先應(yīng)用于高頻領(lǐng)域，是超高功率元器件的潛質(zhì)材料。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，使其具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)

4、，引起了科學(xué)界巨大興趣，掀起了一股研究的熱潮。安德烈·海姆和康斯坦丁·55諾沃肖洛夫因其在石墨烯二維材料方面的原創(chuàng)性杰出工作被授予2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯和主要半導(dǎo)體材料的遷移率盡管長(zhǎng)期以來(lái)物理學(xué)界普遍認(rèn)為嚴(yán)格的2D晶體在自由狀態(tài)下不可能存在（熱擾動(dòng)使原子在第三個(gè)維度上的漲落大于晶格常量，2D晶體熔化），但是關(guān)于Graphene的理論工作一直在進(jìn)行。早在1947年P(guān).R.Wallace通過(guò)理論計(jì)算給出了Graphene的能帶結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建石墨(graphite)，獲得了關(guān)于晶格中電子動(dòng)力學(xué)信息，預(yù)言了Graphene中

5、相對(duì)論現(xiàn)象的存在。雖然當(dāng)時(shí)人們并不相信二維晶體的存在，但是Wallace的工作對(duì)于石墨的研究起了引導(dǎo)性的作用。石墨(graphite)作為一種半金屬性(semimetal)材料，在布里淵區(qū)邊界能帶發(fā)生交疊，使電子能在層與層之間傳輸，當(dāng)graphite的層數(shù)減少到僅有單層(Graphene)時(shí)，能帶變?yōu)閱吸c(diǎn)交疊的方式(如下圖（a）所示)，而且由電子完全占據(jù)的價(jià)帶和由空穴完全占據(jù)的導(dǎo)帶對(duì)于這些交疊點(diǎn)(K和K′)完全對(duì)稱。55　(a)理論計(jì)算給出的Graphene的能帶結(jié)構(gòu)，在狄拉克點(diǎn)處，能帶發(fā)生交疊;(b)低能量處(狄拉克點(diǎn)附近)的能帶結(jié)

6、構(gòu)采用圓錐形近似，具有線性近似。單層Graphene中電子在高對(duì)稱性的晶格中運(yùn)動(dòng)，受到對(duì)稱晶格勢(shì)的影響，有效質(zhì)量變?yōu)榱?即無(wú)質(zhì)量粒子)。這種無(wú)質(zhì)量粒子的運(yùn)動(dòng)由狄拉克方程而非傳統(tǒng)的薛定諤方程描述。由狄拉克方程給出新的準(zhǔn)粒子形式(狄拉克費(fèi)密子)，能帶的交疊點(diǎn)K和K′點(diǎn)也被稱為狄拉克點(diǎn)。在低能處(K和K′點(diǎn)附近)，能帶可以用錐形結(jié)構(gòu)近似(見上圖(b))，具有線性色散關(guān)系。在狄拉克點(diǎn)附近，準(zhǔn)粒子哈密頓量形式為：其中σ為二維自旋泡利矩陣，k為準(zhǔn)粒子動(dòng)量，vF=106m/s為費(fèi)米速度，近似為光速的1/300，該哈密頓量給出的色散關(guān)系為E=│hk│

7、vF。值得注意的是Graphene中能量E與動(dòng)量k間為線性關(guān)系，使得單層Graphene表現(xiàn)出許多不同于其他傳統(tǒng)二維材料的特性。在狄拉克點(diǎn)處(K和K′等)，55波函數(shù)屬于兩套不同的子晶格，需要用兩套波函數(shù)描述，類似于描述量子力學(xué)中的自旋態(tài)(向上和向下)的波函數(shù)，因此稱為贗自旋。由于準(zhǔn)粒子采用“2+1”維低能狄拉克方程描述，模擬量子電動(dòng)力學(xué)表述，在Graphene中引入手性。手性和贗自旋是Graphene中兩個(gè)重要參量，正是由于手性和贗自旋的守恒，使Graphene出現(xiàn)了許多新奇的性質(zhì)。對(duì)于雙層Graphene，哈密頓量為：可以看出，此

8、哈密頓量雖然不是嚴(yán)格的狄拉克形式，但是只有非對(duì)角項(xiàng)不為零，具有較特殊的形式，類似單層石墨中的哈密頓量形式，仍然給出的是一種準(zhǔn)粒子。這種準(zhǔn)粒子同樣具有手性，但是有效質(zhì)量不為0，m≈0.05m0(m0為電子質(zhì)量)。雙層Gra