石墨烯的结构性能及应用

姓名：李雄杰学号：20071050198专业：物理学

石墨烯的结构性能及应用

（云南大学物理科学技术学院物理系云南昆明650091）

摘要：石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料，它是由碳原子组成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚。石墨烯因其具有独特的电子能带结构和具相对论电子学特性，是迄今为止人类发现的最理想的二维电子系统，且具有丰富而新奇的物理特性。本文详细介绍了石墨烯的结构，特殊性能及相关应用。

关键词：石墨烯；结构性能；相关应用

一、引言

石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料【1】石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景【2】正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

图1石墨烯结构图

石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率(2×105cm2／v)，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m·K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积(2630mZ／g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景【3-4】

二．石墨烯的特殊性能

石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料，在靠近布里渊区6个角处的低能区，其E-k色散关系是线性的【5】,因而电子或空穴的有效质量为零，这里的电子或空穴是相对论粒子，可以用自旋为1／2粒子的狄拉克方程来描述。

石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm2／(V·s)(载流子浓度n≈1013cm-2)，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关，说明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散

作者简介：李雄杰（1987-）、男，湖南人，云南大学物理学专业在读本科生，主要研究碳纳米材料及应用。

射，因此，可以通过提高石墨烯的完整性来增加其迁移率，长波的声学声子散射使得

石墨烯的室温迁移率大约为200000cm 2／(V·s)(载流子浓度n≈1012cm )，其相应的电

阻率为lO -6?·cm，比室温电阻率最小的银的电阻率还小。硅的电子迁移率为l400cm 2／(V.s)，电子在石墨烯中的传输速度是在硅中的100倍，因而未来的半导体材料是石墨烯而不是硅。这将使开发更高速的计算机芯片和生化传感器成为可能。但是当石墨烯生长在siO 2衬底上时，由于衬底的光学声子对电子的散射比石墨烯本身对电子的散射

要强很多，导致电子的迁移率下降为40000cm 2／(V·s)。同时，人们也研究了化学掺

杂对石墨烯载流子迁移率的影响。Schedin等发现【6】，即使杂质浓度超过1012cm -2，载

流子迁移率也没有发生变化。Chen等研究发现【7】，低温和超高真空的环境下，对石墨

烯掺杂金属钾可以使载流子的迁移率下降至原来的1／20左右，而当加热石墨烯，去除掺杂的钾后，载流子的迁移率又可以恢复到以前的水平。石墨烯独特的电子特性产生了一种令人预想不到的高不透光性，这种单原子层对白光的吸收率是一个非常令人惊

奇的数字：a ≈2.3%，a是精细结构常数【8】。

石墨烯的电子特性可以用传统的紧束缚模型来描述，在这个模型中，电子能量与波数可以用式(1)来表示：

a k a k a k E x y y 3cos cos 4cos 41(220πππγ?++±=(1)

其中：=2．8eV为最紧邻跃迁能量，a为晶格常数，色散关系中的正负号分别对应于导带和价带，它们在6个K点处值相同。这6个K点中有2个是无关的，而其它4个由于对称性而完全等价。在K点附近，能量线性地依赖于波数，非常像相对论粒子。由于石墨烯原胞有2个原子，其波函数是一个2旋量结构，因此，在低能区，电子可以用狄

拉克方程来描述。而且，现在的赝相对论描述局限于手征极限条件下，也就是在静止

质量消失的情况下，这样会有一个有趣的特点：，,其中F υ=106m／s 是石墨烯中电子的费米速度，替代了狄拉克方程中的光速，σ是泡利矩阵，是电子的二分量波函数，E是电子的总能量【9】。石墨烯在原子尺度上的特殊结构，使研究人员在实验室里就能验证相对论量子力学中的一些预言。

石墨烯被认为是理想的自旋电子学材料，因为其自旋一轨道耦合很弱，而且碳原子

的核磁矩几乎为零，因此，电子的自旋注入核探测可以在室温下进行。石墨烯中，电

子自旋扩散长度在室温下甚至超过l m。石墨烯是现在世界上已知的最为坚固的材料。哥伦比亚大学James Hone组的研究人员将石墨烯薄片衬于直径为l～1．5m的SiO 2空洞

上【10】，用显微镜确定石墨烯的位置后，开始利用硅探头来按压石墨烯薄膜，但是，他们很快发现硅探头的强度不够，往往是石墨烯薄膜未破，硅探头就断了，后来就只能改用半径大概为10～30nm 的钻石探头来按压，以得到薄膜被破坏时的应力值。然而令人震惊的是，石墨烯的强度是世界上最好的钢强度的100倍。最后，研究人员利用原子

力显微镜针尖测量了石墨烯的力学性能，其弹性系数为105N／m，而杨氏模量达

0．5TPa。

三．三．石墨烯的应用

石墨烯的应用1).透明电极

工业上已经商业化的透明薄膜材料是氧化铟锡(ITO)，由于铟元素在地球上的含量有限，价格昂贵，尤其是毒性很大，使它的应用受到限制。作为炭质材料的新星，石墨烯由于拥有低维度和在低密度的条件下能形成渗透电导网络的特点被认为是氧化铟

0γ)()(r E r F ψψσυ=??)(r ψ

μμ

锡的替代材料，石墨烯以制备工艺简单、成本低的优点为其商业化铺平了道路。Mullen 研究组【11】通过浸渍涂布法沉积被热退火还原的石墨烯，薄膜电阻为900?，透光率为70％，薄膜被做成了染料太阳能电池的正极，太阳能电池的能量转化效率为0．26％。2009年，该研究组采用乙炔做还原气和碳源，采用高温还原方法制备了高电导率(1425S ／cm)的石墨烯，为石墨烯作为导电玻璃的替代材料提供了可能。

2).传感器

电化学生物传感器技术结合了信息技术和生物技术，涉及化学、生物学、物理学和电子学等交叉学科。石墨烯出现以后，研究者发现石墨烯为电子传输提供了二维环境和在边缘部分快速多相电子转移，这使它成为电化学生物传感器的理想材料。Chen 等【12】采用低温热退火的方法制备的石墨烯作为传感器的电极材料，在室温下可以检测，作者认为如果进一步提高石墨烯的质量，则会提高传感器对气体检测的到低浓度NO

2

灵敏度。石墨烯在传感器方面表现出不同于其它材料的潜能，使越来越多的医学家关注它，目前石墨烯还被用于医学上检测多巴胺、葡萄糖等。

3).超级电容器

超级电容器是一个高效储存和传递能量的体系，它具有功率密度大，容量大，使用寿命长，经济环保等优点，被广泛应用于各种电源供应场所。石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率，不像多孑L碳材料电极要依赖孔的分布，这使它成为最有潜力的电极材料。Chen等【13】以石墨烯为电极材料制备的超级电容器功率密度为10kW／kg，能量密度为28．5Wh／kg，最大比电容为205F／g，而且经过1200次循环充放电测试后还保留90％的比电容，拥有较长的循环寿命。石墨烯在超级电容器方面的潜在应用受到更多的研究者关注。

4).能源存储

众所周知，材料吸附氢气量和其比表面积成正比，石墨烯拥有质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点，使其成为储氢材料的最佳候选者。希腊大学Froudakis等【14】设计了新型3D碳材料，孔径尺寸可调，他们将其称为石墨烯柱。当这种新型碳材料掺杂了锂原子时，石墨烯柱的储氢量可达到6．1％(wt)。Ataca等【15】用钙原子(Ca)掺杂石墨烯，利用第一性原理和从头算起的方法得到石墨烯被Ca原子掺杂后储氢量约为8．4％(wt)；他们还发现氢分子的键能适合在室温下吸／放氢，Ca会留在石墨烯表面，有利于循环使用。Ataca的研究结果又一次推动石墨烯储氢向前迈进一步。

5).复合材料

石墨烯独特的物理、化学和机械性能为复合材料的开发提供了原动力，可望开辟诸多新颖的应用领域，诸如新型导电高分子材料、多功能聚合物复合材料和高强度多孔陶瓷材料等。Fan等【16】利用石墨烯的高比表面积和高的电子迁移率，制备了以石墨烯为支撑材料的聚苯胺石墨烯复合物，该复合物拥有高的比电容(1046F／g)远远大于纯聚苯胺的比电客115F／g。石墨烯的加入提高了复合材料的多功能性和复合材料的加工性能等，为复合材料提供了更广阔的应用领域。

四．展望

在短短的几年间，石墨烯从一个新生儿快速成长为科学界的新星，自身优异的性能渐渐被发掘和开发，但在石墨烯的研究与应用中仍然存在很多挑战：第一，如何大规模制备高质量石墨烯；第二，石墨烯的很多性质尚不清楚，如电子性能，磁性等；第三，探索石墨烯新的应用领域，目前最有前景的应用有晶体管、太阳能电池和传感器等，不同的应用领域对石墨烯的要求也不同；第四，开拓石墨烯和其它学科的交叉领域，探索石墨烯功能化的新性能。目前有机化学家和材料化学家二者结合，致力于找到更好的合成路线，制备高质量的石墨烯。工程师们也在为开发石墨烯的各种优异的性能而制备更好的器件努力。石墨烯作为很多领域非常有潜力的替代材料，还存在很多问题，有待进一步深入研究。

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