石墨烯基礎(chǔ)知識簡介

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1、1.石墨烯（Graphene）的結(jié)構(gòu)石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢狀晶格的平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的二維材料。如圖1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定義每個原胞內(nèi)有兩個原子，分別位于A和B的晶格上。C原子外層3個電子通過sp2雜化形成強σ鍵（藍(lán)），相鄰兩個鍵之間的夾角120°，第4個電子為公共，形成弱π鍵（紫）。石墨烯的碳-碳鍵長約為0.142nm，每個晶格內(nèi)有三個σ鍵，所有碳原子的p軌道均與sp2雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個離域π鍵，其貫穿整個石墨烯。如圖1.2所示，石墨烯是富勒烯（0維）、碳納米管（1維）、石墨（3維）的基本

2、組成單元，可以被視為無限大的芳香族分子。形象來說，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢狀的晶格結(jié)構(gòu)，看上去就像由六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。每個碳原子通過sp2雜化與周圍碳原子構(gòu)成正六邊形，每一個六邊形單元實際上類似一個苯環(huán)，每一個碳原子都貢獻(xiàn)一個未成鍵的電子，單層石墨烯的厚度僅為0.335nm，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。圖1.1（a）石墨烯中碳原子的成鍵形式（b）石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)。圖1.2石墨烯原子結(jié)構(gòu)圖及它形成富勒烯、碳納米管和石墨示意圖石墨烯按照層數(shù)劃分，大致可分為單層、雙層和少數(shù)層石墨烯。前兩類具有相似的電子譜，均為零帶隙結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體（價帶和導(dǎo)帶相較于一點的半金屬），具有

3、空穴和電子兩種形式的載流子。雙層石墨烯又可分為對稱雙層和不對稱雙層石墨烯，前者的價帶和導(dǎo)帶微接觸，并沒有改變其零帶隙結(jié)構(gòu)；而對于后者，其兩片石墨烯之間會產(chǎn)生明顯的帶隙，但是通過設(shè)計雙柵結(jié)構(gòu)，能使其晶體管呈示出明顯的關(guān)態(tài)。單層石墨烯（Graphene）：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。雙層石墨烯（Bilayerordouble-layergraphene）：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。少層石墨烯（Few-layerormu

4、lti-layergraphene）：指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。石墨烯（Graphenes）：是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱。由于二維晶體在熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性，所以不管是以自由狀態(tài)存在或是沉積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觀尺度的褶皺，蒙特卡洛模擬和透射電子顯微鏡都證明了這一點。這種微觀褶皺在橫向上的尺度在8~10nm范圍內(nèi)，縱向尺度大概為0.7~1.0nm。這種三維的變化可引起靜電的產(chǎn)生，所以使石墨單層容易聚集。同

5、時，褶皺大小不同，石墨烯所表現(xiàn)出來的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)也不同。圖1.3單層石墨烯的典型構(gòu)象除了表面褶皺之外，在實際中石墨烯也不是完美存在的，而是會有各種形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元環(huán)，七元環(huán)等）、空洞、邊緣、裂紋、雜原子等。這些缺陷會影響石墨烯的本征性能，如電學(xué)性能、力學(xué)性能等。但是通過一些人為的方法，如高能射線照射，化學(xué)處理等引入缺陷，卻能有意的改變石墨烯的本征性能，從而制備出不同性能要求的石墨烯器件。2.石墨烯的性質(zhì)2.1力學(xué)特性在石墨烯二維平面內(nèi),每一個碳原子都以σ鍵同相鄰的三個碳原子相連,相鄰兩個鍵之間的夾角120°，鍵長約為0.142nm,這些C-C鍵使石墨烯具有良

6、好的結(jié)構(gòu)剛性，石墨烯是世界上已知的最牢固的材料,其本征（斷裂）強度可達(dá)130GPa,是鋼的100多倍,楊氏（拉伸）模量為1100GPa。如此高強輕質(zhì)的薄膜材料,有望用于航空航天等眾多領(lǐng)域。2.2電學(xué)特性石墨烯的每個晶格內(nèi)有三個σ鍵，所有碳原子的p軌道均與sp2雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個離域π鍵，其貫穿整個石墨烯。π電子在平面內(nèi)可以自由移動,使石墨烯具有良好的導(dǎo)電性石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)使其具有室溫半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，雙極性電場效應(yīng)，超導(dǎo)電性，高載流子率等優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，其載流子率在室溫下可達(dá)到1.5×104cm2.V-1.S-1。導(dǎo)帶價帶禁帶電子能量導(dǎo)帶價帶重疊電子能量導(dǎo)帶

7、價帶禁帶電子能量圖2.1絕緣體，導(dǎo)體，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)圖2.2石墨烯能帶結(jié)構(gòu)2.2.1石墨烯能帶結(jié)構(gòu)當(dāng)絕對零度下，半導(dǎo)體的價帶是滿帶（完全被電子占據(jù)）。當(dāng)受光電或熱激發(fā)后價帶中的部分電子（石墨烯的電子運動速度高達(dá)106m/s，是光速的1/300）越過禁帶進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位，成為空穴。導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴合稱為電子-空穴對，則電子，空穴能自由移動成為自由載流子。它們在外電場作用下產(chǎn)生定向運動形成宏觀電流，分別