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石墨烯的电学性质的研究
山西师范大学本科毕业论文
石墨烯的电学研究
——电学性质机理及其电学应用
石墨烯的电学性质
内容摘要
近几年来,有关以石墨烯为主的纳米材料的性质、合成和应用的研究,有了很大的突破。
这种单原子浓密的组织层,所具有的物理性能超越了传统材料,这些良好性能使得石墨烯在广阔的应用方面具有很高的价值。
尤其是电学产品中,得到新型发展。
高纯的石墨烯是一种半导体,以石墨烯为主的电学装置具有的功能超越了传统的晶体管电路的,包含电力系统、能源技术、微型透明的电子设备及传感器等方面。
但要使该新型材料具有商业用途,仍存在着许多挑战。
为此,此综述以石墨烯的电学性质及其电学应用为焦点。
首先从石墨烯的特殊微观结构入手,论述了石墨烯特有的量子效应及电学物理性质,包括石墨烯电子传输过程中表现出的新颖特点及机制(如:
电子Klein隧穿效应引发的长程无散射传播)。
并结合其结构性质,回顾了目前的石墨烯在电学应用研究,特别是,与经济和高效能源相关设备的应用,如超级电容器、锂离子二次电池、太阳能电池等方面取得的最新成就及技术改进,并对其多种石墨烯的应用前景的可行性做了客观分析。
【关键词】石墨烯微观结构电子迁移率超级电容器电池电极材料
Graphemeelectricityproperties
Abstract
Recentyearshavewitnessedmanybreakthroughsinresearchongraphenefromfilmsofproperties,productionandapplications.Thisone-atom-thickfabricofcarbonuniquelybehavesmoreexcellentperformancesthanmanyothertraditionalmaterials,allofwhichmakeithighlyattractivefornumerousapplications,particularlyinelectronicdevices.Grapheneisasemi-metal,theversatilityofgraphene-baseddevicesgoesbeyondconventionaltransistorcircuitsandincludesflexibleandtransparentelectronics,optoelectronics,sensors,electromechanicalsystemsandenergytechnologies.Manychallengesremainbeforethisrelativelynewmaterialbecomescommerciallyviable,
Thepaperfocusesonelectricalpropertiesofgrapheneaswellasrecordingapplications.Hereweelaboratespecificelectricalpropertiesandquantumeffectsofgraphene,includingthenovelcharacteristicsandmechanismexhibitedinthegrapheneelectrontransportprocess(extraordinarilyhighcarriermobilityledbyKleintunneling).Byreviewingofcurrentgrapheneresearchinelectricalapplicationssubsequently,especiallywiththeeconomicandefficientenergy-relatedequipment,suchassupercapacitors,lithium-ionsecondarybatteries,solarcells,wediscussthelatestachievementsandtechnologicalimprovements,andgiveaobjectiveanalysistothefeasibilityofvariousgrapheneapplications.
【keywords】graphenemicrostructureelectronmobilitysupercapacitor
石墨烯的电学性能
1.引言
2010年,诺贝尔物理学奖授予了两位物理学家Geim和Novoselov,两位科学家的贡献在于他们成功制备出了石墨烯材料。
最早石墨烯的分离是Novoselov和Geim在2004年实验室[1]取得的,他们用透明胶带对石墨进行多次物理剥离,从众多薄片中找到了理论厚度只有0.335
的石墨烯薄层,由于其具有一系列的优异性能,成为了继富勒烯和碳纳米管之后又一个丰碑式的电子材料。
近几年来,在有关石墨烯材料的合成生产、理论性质及应用研究等方面都做了大量研究。
在这里,笔者着重以石墨烯电学性能为研究中心,结合已报道的研究成果,进行了系统的归类分析,明确了石墨烯电学性质的来源本质,并结合性质综述了石墨烯在电学领域中的应用状况,对研究工作能起到一定的引导作用。
石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料。
电子在石墨烯片层内的传输过程中[2],受到的阻力和干扰很小,利用其传输的平面半导体操作技术[3],石墨烯的迁移率可达2×105
[4],约为硅中电子迁移率的100倍;石墨烯还表现出了异常的量子Hall效应[5];Klein隧穿效应:
在室温下,载流子在石墨烯中的传输显示出了微米尺度内弹道式的一流隧穿特性;同时石墨烯还是一种禁带宽度几乎为零的半金属/半导体材料,具有半金属特性;通过改变栅极电压的方法可以改变石墨烯的载流子类型:
电子/空穴;石墨烯是纳米电路的理想材料,其电阻率为10-6
,比铜或银更低,是目前已知材料中室温下具有最低电阻的材料;对任何气体完全不渗透,具有很高的密封性能,可以维持很高的电流密度(比铜高一百万倍)。
之所以有如此奇迹般的性能,取决于石墨烯结构上的特异性。
为此,我们对其结构进行了分析。
2.石墨烯的微观结构研究
2.1.石墨烯的微观晶体结构
完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构,它由六边形晶格组成,可以看做是一层被剥离的石墨片层,由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成。
由于切割方式不同,有手扶型和锯齿形两种石墨烯纳米条带。
其中,每个碳原子通过很强的σ键
与其他三个碳原子相连接,这些很强的C-C的键致使石墨烯片层具有优异的结构刚性。
碳原子有四个价电子,每个碳原子贡献一个未成键的π电子,这些π电子在与平面成垂直的方向上形成π轨道。
π电子在晶体中可自由移动,赋予石墨图1用坐标表示的石墨烯晶体结构
良烯好的导电性。
如图1。
2.2.石墨烯的电子能带结构
图2石墨烯的基本单元结构[3]图3石墨烯的电子能带结构与布里渊区[3]
石墨烯的电子结构与其原子层数密切相关,只有单层和双层石墨烯才具有相似且简单的电子能带谱,均为零带隙半导体,并具有空穴和电子。
单层石墨烯具有独特的电子结构,从而导致它具有传统材料所没有的一些特殊性能。
事实上,能带结构的产生是由于包含两个不等价阵点的单元结构的对称性所导致的(如图2);其中,C-C键的键长为1.42Å,晶格参数为2.46Å。
通过Bloch波函数和紧束缚模型的分析(或根据模型参数,至少几何相似),发现其价带和导带呈镜像关系。
如图3,价带和导带在单点的零状态(即所谓的Dirac点)相交。
这种直接发生在本征Fermi能级上的相交,会产生零隙半导体的性质和半金属特性。
在Dirac点k,收敛态密度(DOS)为零,石墨烯中的载流子表现为线性的能带结构,也就是说电子的能量E和其动量k呈线性色散关系。
这种线性色散关系的导致载流子的有效质量为零。
所以石墨烯中的电子基本上表现为无质量的Dirac费米子,产生了前所未有的优良载体流动性,充电的有效速率可达到单位电气领域和高速电子产品所要求的关键标准。
有关报道指出:
室温下用电子弹道输运的平均自由程已经超过了一个千分尺[6]。
石墨烯中的电子Fermi速度可以达到约106
,约为1/300th的光速,引起了相对论现象。
应该指出的是,只有拥有真正的理想样本,Dirac点附近的线性色散关系才能成立。
另外扰动和准粒子的相互作用可以改变和歪曲这些圆锥。
电子-电子相互耦合作用也可以大幅提高其Fermi速度。
2.3.石墨烯可作为构筑各种sp2碳材料的基本积木
由于石墨烯具有优良的二维结构,是成功构筑零维富勒烯[7]、一维碳纳米管[8]、三维体相石墨等其它sp2杂化碳材料的基本结构单元,如图4。
2.4.单层石墨烯的特殊物理性质
2.4.1.研究单层石墨烯电子的方法
如上所述,石墨烯中的电子Fermi速度可以达到约106
,约为1/300th的光速,可引起了相对论现象。
因此需要采用描述高速粒子的Dirac方程来描述石墨烯的电子性质,而不采用非相对论的Schrödinger方程来描述。
Dirac方程:
(vF是费米速度,约106
)是基于有效质量近似建立的,石墨烯的能量色散关系在Dirac点是线性的,满足Dirac方程。
2.4.2.单层石墨烯的量子Hall效应(QHE)
2.4.2.1.量子Hall效应的简介
量子Hall效应是指:
二维电子气在强磁场作用下,原来连续的能谱被劈成分立的量子能级——即所谓的Landau能级。
异常的QHE,Landau能级可居于0,半整数。
2.4.2.2.单层石墨烯的量子Hall效应
对于单层石墨烯,在Dirac(E=0)处,存在一个朗道能级峰,当费米子能级穿越Dirac点时,出现一个Hall电导平台的跳跃,纵向电导显著积极极大。
由于其两种不等价碳原子产生赝自旋效应,Hall电导的平台在±1/2、±3/2、±5/2……
处表现为半整数的量子Hall效应[5]。
2.4.2.3.量子Hall效应的应用价值
通过匹配适当的朗道水平模型,可以实现对磁的可调控制。
2.4.3.单层石墨烯的Klein隧穿效应[9]
Klein隧穿效应(由Katsnelson等人[10]解释的):
即当电子通过一个任何规模大小的势垒,传输速率可达100%。
所以石墨烯有望成为在微米级别,长距离无散射传播的优秀材料。
这使石墨烯的研究工作变得很难,因为那些用来阻碍设备通道的方形潜在障碍,是几乎不起作用的。
图5在狄拉克点的上方和下方发生转
变的石墨烯的能带结构示意图[3]图6源极-漏极电流/电导率—栅极电压曲线[3]
2.4.4.石墨烯附着于基底的场效应
将石墨烯附着于高掺杂的热氧化硅晶表面后不久,便可以产生场效应。
通过运用栅极电压,电子和空穴的密度可以发生调谐,从而引起Fermi能级升高降低。
在电中性点,K和K'时电阻率达到最大,高于或低于这个能量,其电导率都会增加。
由于这种零带隙的材料最大电阻不是足够大(即没有明显的关闭状态),双极性场效应晶体管(GFETs):
在电中性点上下,可发生从n型到p型的变换,如图5所示。
理想情况下,在源极-漏极电流/电导率—栅极电压特性曲线中形成一个V形对称曲线(图6)。
石墨烯的流动性依赖于电荷载流子的密度,并于电中性点时达到最大。
此双极性行为也可从CNTs、碳纳米管、纳米线和有机晶体管中看出。
利用这种可调的电子反应甚至制造出P-N[11]和P-N-P[1
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