石墨烯在微电子技术上的应用
微电子技术的创新与发展
微电子技术的创新与发展引言：微电子技术作为一门先进的技术领域，在近几十年来发展迅速。
它的创新和发展为全球电子行业带来了巨大的进步和变革。
本文将围绕微电子技术的创新与发展展开讨论，包括新材料、封装技术、集成电路设计以及应用领域的拓展等方面。
一、新材料的应用与创新微电子技术的创新离不开新材料的应用。
近年来，石墨烯等新材料的引入使得微电子器件的性能得到了极大的提升。
石墨烯具有优良的电子输运性质和热传导性能，它被广泛应用于高速、高频和低功耗的移动通信芯片中，推动了移动通信技术的快速发展。
此外，氮化镓等宽禁带半导体材料的应用也使得功耗更低、工作速度更高的集成电路成为可能。
二、封装技术的创新与推动封装技术是微电子产品中不可或缺的环节之一。
随着集成度的提高，芯片封装也在不断创新。
例如，三维封装技术使得芯片的堆叠更加紧密，减小了元件之间的距离，提高了互连效率。
此外，先进的热管理技术也为芯片的稳定运行提供了保障。
具有自修复功能的封装材料可以修复封装中出现的微裂纹和缺陷，延长了芯片的使用寿命。
三、集成电路设计的突破与创新集成电路设计是微电子领域的核心之一。
随着技术的进步，芯片的集成度不断提高，而设计的复杂性也在迅速增加。
在此背景下，创新的设计方法和工具应运而生。
通过引入先进的算法和优化方法，设计师可以在保证芯片性能的同时，减小功耗、缩短设计周期。
同时，人工智能的发展也为集成电路设计带来了新的机遇。
基于机器学习和神经网络的设计工具，能够提供更高效和准确的设计方案。
四、微电子技术的应用领域拓展微电子技术的创新与发展不仅仅局限于电子领域，它也在其他领域发挥着重要的作用。
例如，在医疗领域，微电子传感器可以实时监测患者的生命体征，用于诊断和治疗疾病。
在能源领域，微电子技术的创新使得太阳能电池、锂电池等能源设备的性能得到提升，并推动了新能源的发展。
在环保领域，微电子技术的应用使得智能监控系统可以实时感知环境信息，实现资源的高效利用。
材料科学中的石墨烯与其在生物医学领域的应用
材料科学中的石墨烯与其在生物医学领域的应用石墨烯是一种全新的材料，它由一层厚度为原子层级别的碳原子组成，具有良好的导电性、导热性、机械性能和化学稳定性等优良的特性，因此被广泛应用于微电子、传感器、纳米材料等领域。
然而，石墨烯的应用不仅仅局限于这些领域，最近在生物医学领域也有了不少的研究和应用。
一、石墨烯在生物医学领域的应用1、药物递送石墨烯具有大面积、可控的孔径结构和生物相容性等优势，可以作为载体用于药物递送。
研究表明，将药物包裹在石墨烯中可以提高其溶解度、稳定性和生物利用度，从而提高药物疗效，减少不良反应。
此外，石墨烯还可以通过外表面修饰，使药物靶向到特定的细胞或组织，达到更好的治疗效果。
2、生物传感器石墨烯具有极高的电子迁移率和载流子浓度，因此可以被用于制造高灵敏的生物传感器。
例如，将石墨烯修饰在电极表面，可以检测出多种生物分子，如蛋白质、DNA等。
此外，石墨烯还可以与生物分子进行特异性识别，并将这种识别转化为电信号输出，实现生物分子的快速检测。
3、组织工程石墨烯在组织工程方面也有很好的应用前景。
由于石墨烯具有良好的生物相容性和机械性能，因此可以被用于生成3D生物支架和材料，用于组织修复和再生。
同时，石墨烯还可以被用于移植细胞，并实现细胞的迁移和增殖，促进组织的再生。
4、癌症治疗石墨烯不仅可以用于药物递送，还可以被用于激光治疗癌症。
研究表明，将石墨烯纳米粒子注入癌细胞中，并用激光进行照射，可以使石墨烯在癌细胞内聚集，并被激光刺激产生热能，从而破坏癌细胞的结构和功能，实现癌症的治疗效果。
二、石墨烯在生物医学领域中的挑战虽然石墨烯在生物医学领域中有很多应用前景，但目前仍然面临许多挑战。
其中，最主要的挑战是针对石墨烯的生物毒性和稳定性问题。
1、生物毒性由于石墨烯具有大面积和高比表面积等特性，在生物体内容易与生物分子发生物理、化学反应，从而增加生物毒性风险。
此外，石墨烯对细胞膜的穿透能力也可能导致细胞结构和功能的破坏。
石墨烯微电子材料潜在应用研究
摘 要 ： 硅 电 子 材 料 即 将 发 展 到 顶 峰 时 ， 墨 烯 以其 优 良 的 导 体 和 半 导 体 性 质 将 成 为 延 续 硅 材 料 的 主 流 微 在 石 电 子 材 料 ； 述 了 石 墨 烯 的 结 构 与 电 学性 质 ， 而 说 明 其 作 为 微 电子 材 料 的 优 势 ， 列 举 了在 微 电 子 器 件 构 建 中 已 详 从 并
品．
石墨烯 是从 石墨 材料 中剥离 出的单 层碳 原子 薄
收 稿 日期 ：２ １ ０ １—０ ４—０ ２
作者 简 介 ：翟 译 晨 （ ９ ０ ）男 ， １９ ～ ， 山东 德 州 人 ， 主要 从 事 微 电子 学 方 面 的研 究 ．
１８ ０
德 州学 院学报 是石 墨烯极 高载 流速率 的来源嘲 ．
体 材料 ． 此外 ， 墨烯还 可用 于制 造复合 材料 、 石 电池 、
超 级 电容 、 氢材 料 、 发射 材料 以及超 灵敏 传感 器 储 场 等 引．
１ ２ 石 墨 烯 的 电 学 性 质 ．
人 们 对 石 墨 烯感 兴趣 的原 因 之 一是 受 到碳 纳 米 管 功 能 的 启 发 ． 坦 福 大 学 戴 宏 杰 小 组 对 石 墨 斯 纳 米 带进 行 了研 究 ， 次 证 明 其 可 作 为 半 导 体 材 首 料． 墨烯很有 可能会 成为硅 的替代 品． 实 上， 石 事 碳 纳米 管 就 是 卷 成 柱 面 中 的 石 墨 烯 微 片 ， 碳 纳 与
经 取 得 的成 果及 构建 器 件 的方 法 ， 述 了 相应 石 墨烯 的 制 备方 法 ． 简 关键 词 ：微 电 子 材料 ； 墨 烯 ； 建 器 件 石 构 中 图 分 类号 ： ２ ０６ １ 文献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ０ ９ ４ （ ０ １ ０ —０ ０ ０ ０ ４— ４ ４ ２ １ ） ４ １ ７— ４
石墨烯的性质及其应用
石墨烯的性质及其应用上课班级:年级:专业:学号:姓名:电话:1、石墨烯的特性:导电性:石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。
石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定。
这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。
石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。
由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。
石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约 2.3%的可见光。
而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现机械特性:石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
电子的相互作用:利用世界上最强大的人造辐射源,美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯?伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密:石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。
科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源(ALS)”电子同步加速器。
这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。
科学家利用这一强光源观测发现,石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈,而且电子和电子之间也有很强的相互作用。
化学性质:我们至今关于石墨烯化学知道的是:类似石墨表面,石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。
从表面化学的角度来看,石墨烯的性质类似于石墨,可利用石墨来推测石墨烯的性质。
石墨烯化学可能有许多潜在的应用,然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍:缺乏适用于传统化学方法的样品。
这一点未得到解决,研究石墨烯化学将面临重重困难。
电子运输在发现石墨烯以前,大多数(如果不是所有的话)物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。
石墨烯是什么用途
石墨烯是什么用途石墨烯是一种由碳原子构成的二维蜂窝状晶格结构材料，它是由一层厚度仅为一个原子的石墨片剥离而来的。
石墨烯的独特结构和性质使其具有广泛的应用前景，特别是在电子学、能源领域、生物医学、材料科学等领域。
首先，石墨烯在电子学领域有着巨大的应用潜力。
由于石墨烯具有高电子迁移率、高载流子流动速度和高热导率等优异的电学性能，被认为是下一代微电子器件的理想材料。
它可以用于制造高速晶体管、快速电子器件、高频电路和柔性电子器件等。
此外，由于石墨烯是有机材料，可以与有机分子相结合，具有制备新型有机太阳能电池等光电器件的潜力。
其次，石墨烯在能源领域也有重要的应用价值。
石墨烯具有优异的导电性和热导率，可以用作电池、超级电容器和储氢材料等能量存储和转换器件。
此外，石墨烯还可以用于制备太阳能电池、光催化材料和储能材料等，可以提高能量的转化效率和储存密度，并推进清洁能源的开发和利用。
此外，石墨烯还在材料科学领域发挥着重要作用。
石墨烯具有出色的力学性能，是最轻、最坚硬的材料之一，同时又具有良好的柔性和延展性。
因此，石墨烯可以用于制备高强度和轻质复合材料、纳米复合材料和柔性薄膜等。
此外，石墨烯还可以用于制备高性能的传感器、滤膜、分离膜和纳米材料等，可以解决环境污染和能源危机等重大问题。
在生物医学领域，石墨烯也被广泛应用。
石墨烯具有优异的生物相容性和生物安全性，可以作为药物传递系统、生物传感器和光学成像剂等。
石墨烯还可以用于制备生物传感器、基因传递系统和组织工程等，可以促进疾病的早期诊断、药物的靶向输送和组织的再生修复。
总之，石墨烯作为一种新型的纳米材料，具有许多独特的物理、化学和生物学性质，因此在电子学、能源领域、生物医学、材料科学等多个领域具有广泛的应用前景。
未来，石墨烯的研究和开发将继续推动科学技术的发展和社会的进步。
如何解决微电子器件中的散热问题？
如何解决微电子器件中的散热问题？在当今科技飞速发展的时代，微电子器件已经成为我们日常生活和各个领域中不可或缺的组成部分。
从智能手机、电脑到医疗设备、汽车电子等，微电子器件的性能和可靠性对这些产品的质量和功能起着至关重要的作用。
然而，随着微电子器件的集成度不断提高，其工作时产生的热量也急剧增加，散热问题已经成为制约微电子器件性能提升和可靠性的关键因素之一。
因此，如何有效地解决微电子器件中的散热问题，成为了电子工程领域的一个重要研究课题。
微电子器件在工作时，电流通过半导体材料和电路会产生焦耳热。
这些热量如果不能及时散发出去，会导致器件温度升高，从而影响其性能和可靠性。
过高的温度可能会导致半导体材料的电导率下降、阈值电压漂移、载流子迁移率降低等问题，进而影响器件的工作速度和稳定性。
此外，长期处于高温环境还会加速器件的老化和失效，缩短其使用寿命。
为了解决微电子器件的散热问题，研究人员采取了多种方法和技术。
首先，优化器件的结构设计是一个重要的途径。
通过减小器件的尺寸、降低工作电压、采用低功耗的设计等，可以减少热量的产生。
例如，在集成电路的设计中，采用更先进的制程工艺，如从 14 纳米到 7 纳米甚至更小的制程，可以在一定程度上降低功耗和发热。
材料的选择也是解决散热问题的关键。
高导热性能的材料能够更有效地将热量从器件内部传导出去。
目前，常用的散热材料包括铜、铝等金属，以及金刚石、石墨烯等高导热的新型材料。
金刚石具有极高的热导率，是一种非常理想的散热材料，但由于其成本较高，目前在大规模应用中还存在一定的限制。
石墨烯则具有优异的导热性能和柔韧性，在微电子器件的散热领域有着广阔的应用前景。
散热片和热管是常见的被动散热方式。
散热片通常由金属制成，通过增加与空气的接触面积来提高散热效率。
热管则利用了工质的相变来传递热量，其导热性能远远高于普通的金属导体。
在一些高性能的微电子器件中，常常会同时使用散热片和热管，以达到更好的散热效果。
石墨烯电镀应用例子
石墨烯电镀应用例子
石墨烯电镀是一种新型的表面处理技术，能够在金属表面形成一层石墨烯薄膜，从而提高材料的性能和稳定性。
下面介绍几个石墨烯电镀的应用例子：
1. 电镀石墨烯铜箔
石墨烯铜箔是一种新型的导电材料，能够在微电子、半导体、太阳能等领域得到广泛应用。
通过石墨烯电镀技术，可以在铜箔表面形成一层薄膜，提高导电性和抗氧化性能，从而延长材料的使用寿命。
2. 石墨烯修饰电极
石墨烯修饰电极是一种新型的电化学传感器，能够检测微量的物质，如重金属、有机污染物等。
通过石墨烯电镀技术，可以在电极表面形成一层石墨烯薄膜，提高电极的灵敏度和选择性，从而实现高效、准确的检测。
3. 石墨烯涂层
石墨烯涂层是一种新型的防腐保护材料，能够在金属表面形成一层薄膜，提高材料的耐腐蚀性和耐磨性。
通过石墨烯电镀技术，可以在金属表面形成一层石墨烯薄膜，从而提高材料的稳定性和耐久性，延长使用寿命。
总之，石墨烯电镀技术是一种非常有前途的表面处理技术，能够在各种领域得到广泛应用，从而提高材料的性能和稳定性。
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基于二维材料的微电子器件研究
基于二维材料的微电子器件研究随着科技的不断发展，人们对于微电子器件的需求也越来越高。
而基于二维材料的微电子器件作为一种新兴的研究领域，引起了广泛的关注。
本文将探讨基于二维材料的微电子器件研究的现状和前景。
首先，我们需要了解什么是二维材料。
二维材料是指厚度只有几个原子层的材料，最著名的例子就是石墨烯。
石墨烯是由碳原子构成的单层蜂窝状结构，具有出色的导电性和热导性。
除了石墨烯，还有许多其他的二维材料，如二硫化钼、二硒化钼等。
这些材料具有独特的物理和化学性质，使得它们成为微电子器件研究的理想候选。
其次，我们来看看基于二维材料的微电子器件研究的现状。
目前，研究人员已经成功地利用二维材料制备了各种微电子器件，如场效应晶体管（FET）、光电探测器、逻辑门等。
这些器件在性能上相比传统的器件有着明显的优势。
例如，基于二维材料的FET具有更高的开关速度和更低的功耗，这对于提高集成电路的性能至关重要。
而基于二维材料的光电探测器则具有更高的灵敏度和更快的响应速度，可以应用于光通信和光电子学等领域。
然而，基于二维材料的微电子器件研究还面临一些挑战。
首先，二维材料的制备和集成技术仍然不够成熟。
虽然石墨烯的制备已经相对成熟，但其他二维材料的制备仍然面临一些困难。
其次，二维材料的品质和稳定性也需要进一步提高。
在制备过程中，二维材料容易受到杂质和缺陷的影响，从而影响器件的性能。
此外，二维材料的缺陷和界面效应也需要深入研究，以便更好地理解和控制器件的性能。
尽管存在一些挑战，基于二维材料的微电子器件研究仍然具有广阔的前景。
首先，二维材料的独特性质使得它们在微电子器件中具有巨大的潜力。
通过精确地控制二维材料的结构和性质，我们可以设计出更高性能的器件。
其次，二维材料的柔性和可扩展性也为微电子器件的发展提供了新的可能性。
相比传统的硅基材料，二维材料更加柔韧，可以应用于可穿戴设备和可弯曲电子等领域。
综上所述，基于二维材料的微电子器件研究是一个备受关注的领域。
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六.石墨烯的应用前景 理学院光信息1102
2、石墨烯在太阳能电池上的应用
2012年5月24日报导，美国的研究人员在实验室中创建了一种新型掺杂 石墨烯的太阳能电池，获得了8.6%的太阳能转换效率
二.石墨烯的优良特性 理学院光信息1102
6.硬度大 石墨烯的硬度是钢材的200倍， 显然具有非常强的耐用度
7.电池寿命长 美国西北大学的研究人员已 经成功研发出石墨烯和硅材质的电池，充电 15分钟可以实现约一周的续航能力，如果未 来手机可以使用石墨烯电池，那么可能实现 一周一充电的愿望
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三.用石墨烯构建的微电子器件
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六.石墨烯的应用前景 理学院光信息1102
ITO（导电玻璃）透明电极
ITO作为触控屏的主要组件，触控屏中占极高成本。 ITO为目前主流透明电极，虽然成熟，但有许多挑战须克服
石墨烯透明电 极可用以解决 现有技术与制 造的瓶颈，提 高效能并发展 新的应用，其 经济潜力及价 值无可限量。
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六.石墨烯的应用前景 理学院光信息1102
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五.石墨烯的制备方法 理学院光信息1102
石墨烯材料的制备方法已报道的有：机械剥离法、晶体外延
生长法、氧化还原法、化学气相沉积法、有机合成法和
碳纳米管剥离法等
氧化还原法
氧化-还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨， 经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，加入还原剂去除氧 化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯
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二.石墨烯的优良特性 理学院光信息1102
4. 透明度高 几乎是完全透明的，只吸收 2.3%的光，透光率达到 97.7%
预测未来的透明电脑
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全透明概念手机
二.石墨烯的优良特性 理学院光信息1102
5.高可挠曲性 石墨烯具有延展性，具备极佳之可 挠曲性，非常符合未来软性电子产品的应用
曲折手机
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屏幕弯曲的手机
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六.石墨烯的应用前景 理学院光信息1102
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六.石墨烯的应用前景
1、石墨烯在透明电极的应用
透明电极泛指在可视光区域内同时具备高光透
过率(85%以上)与低电阻率(1×10-3 Ω-㎝以下) 特性的氧化简并型 (Degenerate)半导体电极
透明电极目前
主要使用在显示 领域的LCD, OLED, PDP,透 明显示器的电极 材料，在触控面 板领域则被使用 在电阻及电容式 触控面板的感测 器
理学院光信息1102
石墨烯在微电子上的应用
班级 ：光信1102
组长 ：王光宇
成员 ： 汤君泽
马海锋
A
主讲：张林君
王兴智 邹佳峻 陈明猷 L张O林G君O
目录
理学院光信息1102
什么是石墨烯 石墨烯的优良特性 用石墨烯构建的微电子器件 石墨烯的制备方法 石墨烯的应用前景
一.什么是石墨烯
理学院光信息1102
优点：制备成本低廉且容易实现，以其简单易行的工艺成为实验室制
备石墨烯的最佳方法，并且可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨 烯难以分散在溶剂中的问题
缺点：大量制备容易带来废液污染和制备的石墨烯存在一定的缺陷，
例如，五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷，这些 将导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制
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五.石墨烯的制备方法 理学院光信息1102
化学气相沉积法
化学气相沉积法最先由美国休斯顿大学的于庆凯等在镍
（Ni）基底上取得突破，随后铜（Cu）上生长石墨烯也取 得了突破，铜也被认为是一种最有潜力用来工业化规模生 长石墨烯的基底。随着研究的深入更多的过渡金属都生长 出了石墨烯。这些基底包括Ru、Pt、Co、Ir、Ga、Pd、Mo、 Ge等
２００８年ＩＢＭ 公司率先制成低噪声石墨烯晶体管。通过 重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯”，试制成功了新型 晶体管，通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控 制噪声
２００８年５月美国乔治亚科技学院德希尔与麻省理工学
院林肯实验室合作在单一芯片上生成的几百个石墨烯晶体管 阵列
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四.用石墨烯构建的微电子理器学件院光的信特息1点102
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片 状结构的新材料，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角 型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的 二维材料
A 石墨烯原子结构图
Sp院光信息1102
石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，
直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和 Konstantin Novoselov，成功地在实验中从石墨中分离出石墨 烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料 的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖
石墨烯又不同于传统的金属，它可 弯曲，又是透明的，在未来作为太 阳能电池的关键材料具有很大的潜 力
石墨烯内部的原子键
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二.石墨烯的优良特性 理学院光信息1102
优良特性：
1. 导热系数高 导热系数高达5300 W/（m·K）高于碳纳米管和金刚石；
2.电子迁移率高 常温下电子迁移 率高达150000ｃｍ２／ｖｓ，超过单 晶硅100倍以上；
3. 电阻率低 电阻率低只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为世上已知 电阻率最小的材料
石墨烯的化学气相沉积法通常是把有催化功能的基底在腔 体中加热到1000℃，然后通入含碳气体，如：碳氢化合物， 它在高温下分解脱氢在基底表面形成石墨烯，通过轻微的 化学刻蚀，使石墨烯薄膜和基底分离得到石墨烯薄膜。这 种薄膜在透光率为80%时电导率即可达到1.1×106S/m，成 为透明导电薄膜的潜在替代品
高速：与传统硅晶体制成的期间相比，石墨烯表面优 良的电子迁移速度是硅的上百倍，加上石墨烯本身就 是一个良好的导热体，可以很快地散发热量．由于具 有如此优异的性能，由石墨烯制造的电子产品运行的 速度要快得多，并且产生的热量小的多
微小化：硅不能分割成小于１０ｎｍ的小片，否则其 将失去诱人的电子性能。与硅相比，石墨烯分割成一 个纳米小片时，其基本物理性能并不改变，而且其电 子性能还有可能异常发挥