石墨烯的光電特性

《石墨烯的光電特性》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫(kù)。

1、石墨烯的光電特性O(shè)ne,seven北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院摘要：石墨烯基礎(chǔ)材料的光電性能被調(diào)查，特別是研究具有氧化石墨單層的石墨烯氧化物的物理和化學(xué)性質(zhì)和它的化學(xué)簡(jiǎn)式與石墨的不同。盡管氧化石墨在一百多年前就被Brodie（在1859年）合成，但直到現(xiàn)在特殊層還沒(méi)被深入研究，與我們正在研究的石墨烯氧化物比較，物理學(xué)家在原始石墨烯(石墨的一個(gè)層)發(fā)現(xiàn)了卓越的物理輸送特性同時(shí)也顯示石墨烯在納米電子方面的潛力;這提高我們對(duì)包括石墨烯氧化物在內(nèi)的化學(xué)法改變石墨性質(zhì)的興趣。關(guān)鍵字：石墨烯，光電性1.引言石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅(jiān)硬；作為單質(zhì)，它在

2、室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。作為一種零帶隙的半導(dǎo)體材料,石墨烯具有極高的載流子遷移率和特殊的輸運(yùn)特性,在場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光伏電池、液晶顯示等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。2.石墨烯基礎(chǔ)材料的光電特性2.1石墨的結(jié)構(gòu)和其電氣性能石墨完全由碳原子組成，圖表2-1顯示了三維碳堆積結(jié)構(gòu)的例子。如石墨架構(gòu)圖所示，每個(gè)碳原子通過(guò)共價(jià)鍵與其他三個(gè)碳原子形成一個(gè)完全的兩空間層，每一層通過(guò)范德華力鍵合，因?yàn)榉兜氯A力作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)比共價(jià)鍵弱得多，所以石墨在每一層的每個(gè)方向上都可以裂開(kāi)。為了得到一個(gè)單層的石墨烯，很多人嘗試剝離大塊石墨。據(jù)目前報(bào)道石墨可以通過(guò)簡(jiǎn)單的微機(jī)械分裂技術(shù)剝離成

3、一層或者少數(shù)層。這開(kāi)辟了關(guān)于石墨烯的凝聚態(tài)物理學(xué)研究新領(lǐng)域。有趣的是石墨烯這種材料展現(xiàn)電場(chǎng)效應(yīng)，它說(shuō)明石墨烯可以作為晶體管，圖表2-2的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）可以由石墨烯實(shí)現(xiàn)，根據(jù)石墨烯FET的電流結(jié)果可知，材料的導(dǎo)電率以獨(dú)特柵極電壓函數(shù)的方式改變。石墨烯的柵極依賴(lài)關(guān)系總結(jié)在圖表2-3，在圖中可以看出，電阻率的變化取決于提供的柵極電壓。通過(guò)提供一個(gè)高的柵極電壓電阻率被大大地減少（無(wú)論是積極的還是消極的）。對(duì)比單壁的碳納米管的柵極依賴(lài)關(guān)系，石墨烯柵極依賴(lài)關(guān)系是十分特殊的。如2-4所示，通過(guò)增加?xùn)艠O電壓，單壁碳納米管的導(dǎo)電率被減少，由于只含有空穴載流子，所

4、以石墨烯被誤認(rèn)為P型半導(dǎo)體。順便說(shuō)，石墨烯同時(shí)表現(xiàn)出P型和S型半導(dǎo)體的特征，這被理解為材料同時(shí)帶有空穴和電子，這些可以被提供的柵極電壓控制，當(dāng)溫度降低時(shí)，柵極電壓的影響變得越來(lái)越明顯。圖表2-5還總結(jié)了石墨烯的其他的方面性質(zhì)，如圖2-5（a）所示，薄片的厚度增加，柵極偏置效果消失，大塊石墨只是簡(jiǎn)單導(dǎo)電而沒(méi)有依賴(lài)于柵極。石墨烯應(yīng)用電流和電壓之間呈線(xiàn)性關(guān)系。此外，電場(chǎng)影響在低溫下（—4K）提供一個(gè)磁場(chǎng)的情況下可以量子化（量子霍爾效應(yīng)）（QHE）。一系列結(jié)果表明石墨烯具有有趣的電子性質(zhì)。實(shí)際上物理是如此迷人，許多人認(rèn)為這是一個(gè)凝聚物質(zhì)物理學(xué)的新分支，在過(guò)去的

5、幾年里，世界各地的研究石墨烯的人員已經(jīng)暴漲。2.2石墨烯作為傳感材料的應(yīng)用利用石墨烯板材的電氣性能，你可以考慮把它們作為測(cè)量待定氣體分子的傳感器的材料，單壁碳納米管已經(jīng)應(yīng)用在這方面了。在圖表2-6（a）中，柵極效果暴露了半導(dǎo)電單壁碳納米管對(duì)兩種氣體過(guò)分依賴(lài)這個(gè)缺點(diǎn)。所依賴(lài)的氣體如NO和NH，表格中的曲線(xiàn)分別向正向或者反向運(yùn)行，我相信空隙載流子的數(shù)量的改變由氣體分子的約束力決定。減小吸附的NH的數(shù)量理應(yīng)會(huì)減少電導(dǎo)率，相比之下，減少吸附的NO的空穴載流子的數(shù)量，電導(dǎo)率反而增大。結(jié)果表明即使小氣體量（一個(gè)很低濃度）也可以被單壁碳納米管檢測(cè)到。（圖表2-6（b

6、））如圖表2-7（a）所示，石墨烯表現(xiàn)出一個(gè)相似的行為，當(dāng)暴露在NO氣體中，柵極依賴(lài)關(guān)系會(huì)漂移向積極一邊。以單壁碳納米管為例，這可以理解為對(duì)材料摻雜額外的空穴載流子，所以?xún)煞N載流子的均衡被改變。而且，石墨烯器件能檢測(cè)表面單分子的剝離或者附著狀態(tài)，電阻的變化步驟在圖表2-6（c）中顯示，表示電阻變化的量化，電阻的變化被認(rèn)為由單分子的附著或者剝離狀態(tài)決定。2.3石墨烯的光學(xué)可視化和表征考慮到石墨烯的厚度理想值是3.4A，你很難認(rèn)為這種材料可以被光學(xué)顯微鏡視像化，但是，是可以看見(jiàn)的當(dāng)單層石墨烯放在在硅表面生長(zhǎng)的電介質(zhì)膜表面上是可以看見(jiàn)的。通過(guò)控制介電薄膜的厚

7、度可以增加石墨烯的可見(jiàn)性。在圖表2-8（a）中,顯示不同層的石墨烯的對(duì)比。能見(jiàn)度低的原因是因?yàn)楸砻娉练e區(qū)的光路徑和介電薄膜的裸露面不同的,這為一定值的介電層厚度對(duì)比提供理由。當(dāng)單層的光學(xué)性質(zhì)符合，它表示數(shù)值比大部分性質(zhì)數(shù)值小，研究人員把這個(gè)現(xiàn)象歸結(jié)于當(dāng)材料極薄(小于3~4nm)時(shí)，夾層的相互作用減小。對(duì)比是通過(guò)減去來(lái)自材料的反射率的電介質(zhì)膜反射率和劃分與介電膜的反射率來(lái)進(jìn)行的?？紤]到一個(gè)單層的最大值是-0.1，材料和介電層的反射率只有10%的不同。2.4石墨烯氧化物的獨(dú)特性石墨烯氧化物和石墨烯的不同處在于表面的許多化學(xué)官能團(tuán)。首先，石墨烯氧化物是一種由

8、氧和碳組成的整比化合物，元素分析表明，石墨烯氧化物的碳氧比接近C:O(2:1)。通過(guò)化學(xué)法和熱