石墨烯外国文献翻译

石墨烯基础材料的光电特性

Inhwa Jung

在这研究报告中，石墨烯基础材料的光电性能被调查，特别是研究具有氧化石墨单层的石墨烯氧化物的物理和化学性质和它的化学简式与石墨的不同。尽管氧化石墨在一百多年前就被Brodie（在1859年）合成，但直到现在特殊层还没被深入研究，与我们正在研究的石墨烯氧化物比较，物理学家在原始石墨烯(石墨的一个层)发现了卓越的物理输送特性同时也显示石墨烯在纳米电子方面的潜力;这提高我们对包括石墨烯氧化物在内的化学法改变石墨性质的兴趣。

从石墨烯的光学性质方面来看，为了识别和测量石墨烯基底的有效光学性质，由于由硅上的薄介电层组成的基底的作用，一个直截了当的方法被提出。通过这个方法和优化介电层的厚度，获得石墨烯基底独特晶片和基底的的巨大差别。选择合适的光学性能和介电层的厚度，氧化石墨的有效折射率和光学吸收系数可以减少氧化石墨，通过对比预测与实际测量的差别可以获得石墨烯。

椭圆光度法成像是一种为光学成像和表征超薄材料（1nm~）例如特殊化学法改变的石墨烯晶片和少层氧化石墨烯晶片保持电势的方法，单独使用椭圆光度法成像无论能否确定它的光学性质和厚度都是非常有趣的，传统的光谱椭圆光度法也可以应用到比特殊晶片宽数毫米的多层叠加的氧化石墨上。利用两种成像方法得到的结果对比最大的区别在于光学性质的差异。观察热处理过的单体和多层叠加，多层叠加和单层的区别类似氧化石墨（无论是特殊晶片还是多层叠加）的对比结果。分别从轮廓仪和AFM得到厚度，解释厚度和光学性质在热处理时会改变的模型被提出。

电学特征是前面提及的异常原始石墨性能基本的技术领域，通过在真空中加热单层石墨氧化物(沉积于基体)对材料的电阻率进行了监测。通过监测随时间和温度响应的电导率能够表明,导电率的变化可能与一个激活的化学过程有关, 并由此可以获得活化能(势垒高度)。通过高达85 S/m的时间温度曝光可以知道单层的氧化石墨的导电率，其次在真空中加热并与气相肼发生化学还原可以成倍地得到更高的导电率，如原始石墨一样，氧化石墨导电率对电场方向很敏感，伏安测量还表明，氧化石墨的电气性能与石墨烯存在差别。

在特殊气体中对石墨氧化物进行初步的灵敏度的测量，结果表明石墨氧化物可以作为传感器的材料，于是用以测量灵敏度和特殊气体浓度的方案被提出和讨论，该方法建立在光学检测上，因此这篇论文会涉及光学特性在实际生活中的潜在应用。

摘要--------------------------------------------------------------3 感谢--------------------------------------------------------------6 目录--------------------------------------------------------------8

1.介绍-----------------------------------------------------------18

2.理论及文献探讨

2.1石墨的结构和其电气性能----------------------------------------21 2.2石墨烯作为传感材料的应用--------------------------------------24 2.3石墨烯的光学可视化和表征--------------------------------------26 2.4几种获得石墨烯基底材料的技巧----------------------------------28 2.5石墨烯氧化物的结构和制备方法----------------------------------29

2.6石墨烯氧化物的独特性------------------------------------------31

3.石墨烯基底材料的光学特性

3.1概述----------------------------------------------------------33 3.2高对比度成像和描述石墨烯基底的简单方法------------------------35

3.2.1介绍-------------------------------------------------------35

3.2.2实验-------------------------------------------------------38

3.2.3结果和讨论-------------------------------------------------43

3.2.4深入讨论和提供信息-----------------------------------------59

3.2.5总结-------------------------------------------------------72 3.3热处理减少石墨烯氧化物基底材料的椭偏仪特征--------------------73

3.3.1介绍------------------------------------------------------73

3.3.2实验------------------------------------------------------75

3.3.3结果和讨论------------------------------------------------83

3.3.4总结------------------------------------------------------98

4.单层石墨烯氧化物的电学特性

4.1概述----------------------------------------------------------99 4.2石墨烯氧化物的电子输送测量-----------------------------------101

4.2.1介绍-----------------------------------------------------101

4.2.2热还原研究-----------------------------------------------103

4.2.3比较化学还原和气体环境的影响-----------------------------113

4.2.4实验和分析细节-------------------------------------------119

4.2.5深入讨论和提供信息---------------------------------------137

4.2.6总结-----------------------------------------------------140

5.潜在应用及对未来工作的建议

5.1在特殊气体中灵敏度的定量测量---------------------------------141

5.2图案还原-----------------------------------------------------142

6.总结-----------------------------------------------------------144

7.参考文献------------------------------------------------------145

1.介绍

石墨是碳的一种同素异形体，它具有稳定的化学性质和良好的导电性。由于储量丰富，通常被用作填料和导电材料。众所周知，碳纳米管由单层石墨烯（单层石墨）组成（概念上）。好像单壁碳纳米管,石墨烯(从平面内石墨的性能)被认为有优异的物理性能,使其成为填充材料、复合材料的潜在候选人。据目前报道石墨烯有很强的双极性电气场效应，这使其用于电气设备和传感器潜在应用提供保证。对石墨烯研究的越来越热。在图1 –1，可以看出关于石墨烯已出版的论文数量今年超过10。

石墨不能剥离成大量单层石墨烯，这使之前的文献没有提及的。到目前为止最成功获得单层或者多层薄层是通过摩擦膨胀石墨的机械表面或者通过带有胶带的高导向热解石墨搓到另一个硅晶片。然而得到一层或者非常薄得多层叠合物的几率很低，通常叠合物的横向尺寸很小（少于几毫米的单层横向尺寸）。为了通过实际设备制造基础石墨烯底层，需要大量单层底层和可再生制造方法。

为了实现大量相对大的侧面尺寸的剥离石墨，我们使用一个众所周知的化学过程实现石墨转换成石墨氧化物，然而这种转换会使原始石墨的特性发生改变，石墨氧化物是不导电的，氧化石墨如果不剥落可以通过溶液化学还原转化成石墨，一旦在水中进行氧化石墨的水相分散，单层底片可以减少。

在这个报告中，我们主要关注石墨烯氧化物和减少石墨烯氧化物薄片（我们指单层石墨氧化物为石墨烯氧化物）。在这些研究中，为识别单层石墨烯氧化物薄片而发展了一个系统，基于这个系统和方法，单层石墨烯氧化物薄片的光学性质的测量和配置电子的测量可以做到，通过四探针测量器对石墨烯氧化物薄片进行电气测量可以显示导电材料的还原效果。我们的最终目标是制作对特殊气体敏感的传感器。

2.理论及文献探讨

2.1石墨的结构和其电气性能

石墨完全由碳原子组成，图表2-1显示了三维碳堆积结构的例子。如石墨架构图所示，每个碳原子通过共价键与其他三个碳原子形成一个完全的两空间层，每一层通过范德华力键合，因为范德华力作用力远远比共价键弱得多，所以石墨在每一层的每个方向上都可以裂开。为了得到一个单层的石墨烯，很多人尝试剥离大块石墨。据目前报道石墨可以通过简单的微机械分裂技术剥离成一层或者少数层。这开辟了关于石墨烯的凝聚态物理学研究新领域。

有趣的是石墨烯这种材料展现电场效应，它说明石墨烯可以作为晶体管，图表2-2的场效应晶体管（FET）可以由石墨烯实现，根据石墨烯FET的电流结果可知，材料的导电率以独特栅极电压函数的方式改变。

石墨烯的栅极依赖关系总结在图表2-3，在图中可以看出，电阻率的变化取决于提供的栅极电压。通过提供一个高的栅极电压电阻率被大大地减少（无论是积极的还是消极的）。对比单壁的碳纳米管的栅极依赖关系，石墨烯栅极依赖关系是十分特殊的。如2-4所示，通过增加栅极电压，单壁碳纳米管的导电率被减少，由于只含有空穴载流子，所以石墨烯被误认为P型半导体。顺便说，石墨烯同时表现出P型和S型半导体的特征，这被理解为材料同时带有空穴和电子，这些可以被提供的栅极电压控制，当温度降低时，栅极电压的影响变得越来越明显。

图表2-5还总结了石墨烯的其他的方面性质，如图2-5（a）所示，薄片的厚度增加，栅极偏置效果消失，大块石墨只是简单导电而没有依赖于栅极。石墨烯应用电流和电压之间

呈线性关系。此外，电场影响在低温下（—4K）提供一个磁场的情况下可以量子化（量子霍尔效应）（QHE）。一系列结果表明石墨烯具有有趣的电子性质。实际上物理是如此迷人，许多人认为这是一个凝聚物质物理学的新分支，在过去的几年里，世界各地的研究石墨烯的人员已经暴涨。

2.2石墨烯作为传感材料的应用

利用石墨烯板材的电气性能，你可以考虑把它们作为测量待定气体分子的传感器的材料，单壁碳纳米管已经应用在这方面了。在图表2-6（a）中，栅极效果暴露了半导电单壁

碳纳米管对两种气体过分依赖这个缺点。所依赖的气体如NO

2和NH

3

，表格中的曲线分别向

正向或者反向运行，我相信空隙载流子的数量的改变由气体分子的约束力决定。减小吸附的

NH

3的数量理应会减少电导率，相比之下，减少吸附的NO

2

的空穴载流子的数量，电导率反

而增大。结果表明即使小气体量（一个很低浓度）也可以被单壁碳纳米管检测到。（图表2-6（b））

气体中，栅极依如图表2-7（a）所示，石墨烯表现出一个相似的行为，当暴露在NO

2

赖关系会漂移向积极一边。以单壁碳纳米管为例，这可以理解为对材料掺杂额外的空穴载流子，所以两种载流子的均衡被改变。而且，石墨烯器件能检测表面单分子的剥离或者附着状态，电阻的变化步骤在图表2-6（c）中显示，表示电阻变化的量化，电阻的变化被认为由单分子的附着或者剥离状态决定。

2.3石墨烯的光学可视化和表征

考虑到石墨烯的厚度理想值是3.4A，你很难认为这种材料可以被光学显微镜视像化，但是，是可以看见的当单层石墨烯放在在硅表面生长的电介质膜表面上是可以看见的。通过控制介电薄膜的厚度可以增加石墨烯的可见性。在图表2-8（a）中,显示不同层的石墨烯的对比。能见度低的原因是因为表面沉积区的光路径和介电薄膜的裸露面不同的,这为一定值的介电层厚度对比提供理由。当单层的光学性质符合，它表示数值比大部分性质数值小，研究人员把这个现象归结于当材料极薄(小于3 ~ 4nm)时，夹层的相互作用减小。对比是通过减去来自材料的反射率的电介质膜反射率和划分与介电膜的反射率来进行的。考虑到一个单层的最大值是-0.1，材料和介电层的反射率只有10%的不同。

2.4几种获得石墨烯基底材料的技巧

虽然石墨烯展示了很有应用前景的电气性能，目前物理学家使用的方法是非常乏味的，

用微米级改变剥离的方法，他们用透明胶带磨擦在石墨上生长基质的介电层，用这种方法，可以得到几层甚至单层厚度的石墨烯，但是会在基底出现很多很厚的晶片，所以把它做成稳定的器件是不合实际的。由于石墨烯的尺寸问题，制造工序包括缓慢而昂贵e-波束图形模式，因为这两个原因，阵列中每个要素是一个单薄片，所以制造阵列是不可能的。为了克服这些缺点，石墨烯的外延生长被提出，现在的工作已经沿着这个方向进行，应该指出的是，这种外延生长要求UHV真空条件和SIC单晶。

在2-1表格中，几种获得石墨烯基底材料的方法已经列出，化学剥离是很有前途的，因为它是低成本和可产量化的，虽然用这种方法石墨烯的原始结构不能被保存下来，但是，石墨烯的不同特征可以被研究和利用。

2.5石墨烯氧化物的结构和制备方法

大块氧化石墨的化学法剥离是克服微米级剥离缺点的一种选择，通过化学法剥离可以用一种简单的途径获得大量的剥离的单层石墨烯氧化物片。

石墨烯氧化物包括各式各样的官能团，最时兴的是C-O-C模型,对其结构中调用(环氧化合物)和C-OH(羟基)聚合物除了出现在基片边缘的羰基和羧基聚合物。被提出的石墨烯氧化物的模型在图2-9（a）中显示出来了，由于氧化过度，我们小组制备出来的石墨烯氧化物是不导电的，所以把它作为元素应用到电子器件是不太可能的。石墨烯氧化物通过一些减少处理方法如化学法或者热还原可以被缩减部分，通过这些处理方法材料可以恢复导电。在表格2-9(b)中，经过处理的石墨烯氧化物的化学结构模型被显示出来，虽然经过热处理可以大大降低氧气的比例，但它的结构也和石墨烯不同。无论如何，经热处理的石墨烯氧化物从光学和电气性能角度来说是非常接近石墨烯的，最近石墨烯氧化物模型展示了一个三维瓦楞结构，如图表2-9（c）。

2.6石墨烯氧化物的独特性

石墨烯氧化物和石墨烯的不同处在于表面的许多化学官能团。首先，石墨烯氧化物是一种由氧和碳组成的整比化合物，元素分析表明，石墨烯氧化物的碳氧比接近C:O(2:1)。通过化学法和热处理可以降低氧气的比例，最低值可以达到C:O(20:1).材料的唯一性在于范围内可以控制比例，材料的碳氧比不同，它们的电学性能和光学性能也会不同。其次，在石墨烯氧化物表面的化学官能团是具有化学活性的而且很容易被功能化，这是材料的一个很大优势，被认为是水蒸气和液体传感器的潜在材料。最后，石墨烯氧化物是亲水性的。考虑到石墨烯由于具有高疏水性而不可能作为填料，石墨烯氧化物可以很好地分散开来。由于它的高溶解性，石墨烯氧化物在制备新型材料特别是制备纳米复合材料（仅仅通过和其他材料混合）具有很大应用前景。

3.石墨烯基底材料的光学特性

3.1概述

在这光学特性部分，为研制石墨烯基底材料的光学方法出现了。本研究和其他小组合作完成，其他小组的工作会得到介绍的，我们工作的主要优势是我们可以更彻底地研究绝缘材料的影响。例如，我们改变绝缘材料的光学性质和厚度一样，所以材料和介电膜的高度对比就可以得到，我们获得比介电层反射率高12倍的单层石墨烯氧化层（-1nm）反射率。使用优化的基底，光学性质估计有实质性的意义，使用这方法的拟合值和椭圆光度法得到的值比