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《石墨烯_一種新的量子材料_張翼》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、1物理與工程Vol.21No.12011石墨烯:一種新的量子材料特約稿件張翼(中國科學(xué)院物理研究所,北京100190)薛其坤(清華大學(xué)物理系,北京100084)(收稿日期:20101230)摘要石墨烯是一種僅由碳原子構(gòu)成的二維材料.由于其獨特的二維六角蜂窩狀的晶格結(jié)構(gòu)、載流子的狄拉克費米子行為及其他奇妙的物理特性,近些年來引起了人們的廣泛關(guān)注.同時,它還展現(xiàn)出在電子、信息、能源等多個領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景.曼徹斯特大學(xué)的安德烈海姆(A.K.Geim)和康斯坦丁諾沃肖洛夫(K.S.Novoselov)因其在石墨烯制備和研究方面的開創(chuàng)
2、性工作獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎.關(guān)鍵詞石墨烯;諾貝爾獎;量子霍爾效應(yīng);狄拉克費米子GRAPHENE:ANEWQUANTUMMATERIALZhangYi(InstituteofPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190)XueQikun(DepartmentofPhysics,TsinghuaUniversity,Beijing100084)AbstractGrapheneisatwodimensionalmaterialonlymadeofcarbonatoms.Duetoitsuniq
3、uetwodimensionalhoneycomblatticestructure,Diracfermionsbehaviorofcarriers,andotherexoticphysicalcharacteristics,graphenehasattractedextensiveattentionrecently.Graphenealsopromisesforapplicationsinmanyfieldssuchaselectronicd,informationtechnology,energyconvertion.Becauseofthepi
4、oneeringworkinpreparationandcharacterizationofgraphene,A.K.GeimandK.S.Novoselov,theUniversityofManchestersharedNobelPrizeinPhysicsin2010.KeyWordsGraphene;NobelPrize;QuantumHalleffect;Diracfertmon過機械剝離的方法制得了石墨烯,發(fā)現(xiàn)它在大氣1介紹和室溫環(huán)境下具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),并且具有極大的2場效應(yīng)和極高的載流子遷移率(~15000cm-1-1[1]晶體管于19
5、47年12月發(fā)明,它開創(chuàng)了現(xiàn)代Vs).之后又發(fā)現(xiàn)其載流子表現(xiàn)出獨特的[2,3]的半導(dǎo)體工業(yè),是計算機信息技術(shù)的基石.隨著人狄拉克費米子行為.這種奇特的狄拉克費米子們對計算速度和性能的不斷追求,傳統(tǒng)半導(dǎo)體器之前從未在真實的材料中發(fā)現(xiàn),而僅僅在理論上件尺寸的不斷縮小并已經(jīng)到達(dá)了瓶頸.人們急需被理論物理學(xué)家討論過.石墨烯各種新奇的物理具有更快的電子輸運和更精確的電子操縱的新材特性已引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注.首次在實驗上料來實現(xiàn)未來高速高效電子器件的應(yīng)用.2004制備出石墨烯的兩位俄裔英國科學(xué)家也因此獲得[4]年,曼徹斯特大學(xué)的康斯坦丁諾沃肖洛夫(K.201
6、0年度的諾貝爾物理學(xué)獎.S.Novoselov)和安德烈海姆(A.K.Geim)通2物理與工程Vol.21No.12011[6]系(圖2).這是第一次在凝聚態(tài)材料中發(fā)現(xiàn)這樣2石墨烯的結(jié)構(gòu)的相對論性的狄拉克費米子.石墨烯特殊的電子結(jié)構(gòu),使得它表現(xiàn)出許多奇妙的物理性質(zhì):如半[7,8][5,7]碳是地球上最豐富的元素之一,也是構(gòu)成生整數(shù)的量子霍爾效應(yīng),無載流子的電導(dǎo),[9,10]命的最基本的元素.單質(zhì)碳存在形式是多種多樣Klein隧穿效應(yīng)以及其他許多未被探知的[11~14]的:如碳構(gòu)成的金剛石是世界上最堅硬的物質(zhì);特性.零維的富勒烯和一維的碳
7、納米管是近些年來出現(xiàn)的新納米材料.二維的石墨烯則是由石墨中得來:將石墨的厚度降低到一個原子單層,即是單層的石墨烯.石墨可以看作是許多石墨烯按照一定規(guī)則堆垛在一起,層間以范德瓦耳斯力鍵相連而形成.因此,石墨烯內(nèi)部為碳原子構(gòu)成的六角蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)[5]結(jié)構(gòu),實際上可看作是單原子層的石墨(圖1).圖2石墨烯的電子結(jié)構(gòu)示意圖,右側(cè)放大圖顯示狄拉克[6]點附近電子能量與動量呈線性色散關(guān)系3量子霍爾效應(yīng)量子霍爾效應(yīng)是二維電子氣在強磁場下表現(xiàn)出的一種奇特的量子效應(yīng).當(dāng)二維電子氣處在強磁場下時,其連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)就會分裂為獨立的量子能級所謂的朗道能級.當(dāng)通過門電壓
8、調(diào)節(jié)費米面落在朗道能級之間時,費米面處的能態(tài)密度為零,霍爾測量得到的縱向電阻為零,在霍爾圖1
