石墨烯的光电特性及应用

基于石墨烯材料具有独特的二维结构和优异的电学、光学、机械、声学、电化学、力学、热学等性能，它是极具发展前景和潜力的电池电极材料。目前把石墨烯做为电池导电剂是石墨烯研究的一个热点方向。
图2石墨烯的主要物理化学特征
二、石墨烯材料主要特性
1、石墨烯的电学性质
石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成，这种构成方式会多出一个p轨道的电子，从而形成大π键，π电子可以自由的移动，这赋予了石墨烯优异的电子学性能。石墨烯原子与原子之间的引力和排斥力都很强，在常温状态，石墨烯内部的电子很少会受到外部影响，电子在移动时不容易产生散射现象，迁移率是硅中电子的130倍，其电导率达到了106S/m，是常温下导电性最佳的材料。另外石墨烯还具有半金属特性，它的导带和价带之间有一部分是重叠的。利用这一特性，人们已经开始试着把石墨烯应用到高性能的场效应管中。现制造大面积的石墨烯薄膜的技术已经比较成熟，这加大了它在电子信息领域应用的可能性。石墨烯晶格具有六方对称性。
目前石墨烯的制备方法主要分为“自下而上（down-up）”和“自上而下（up-down）”2大类方法。而“自下而上（down-up）”法是通过碳原子的重构来合成石墨烯材料，是从一种形态到另一种形态的转变，它包括化学气相沉积法（CVD）、外延生长法、有机合成法等。“自上而下（up-down）”法是通过剥离天然石墨材料来制备石墨烯片层，可以分为物理法和化学法，如微波机械剥离法、物理液相剪切分离法、电弧法、氧化还原法、超临界法、碳纳米管轴向切割法等。
四、石墨烯其他应用的个人设想
正如前文提到的石墨烯有许多的优异的性质，那么必然是有巨大并未曾被人们发现或者说提到的应用方式。在这里，我想写一些我所认为的石墨烯有可能的新的应用。
1、建筑领域
石墨烯的力学强度是钢铁的一百倍，那么我们是否可以将石墨烯卷曲后并且制成可见长度的石墨烯绳索替代建筑领域里的钢筋绳获得更高强度的支撑。首先，石墨烯经过卷曲可以形成碳纳米管，那么如果我们可以生长出宏观尺度的二维石墨烯平面就可以制成一条长的碳管，然后我们可以将许许多多束碳管绞合在一起，当然，这需要十分多的碳管才能形成宏观尺寸的石墨烯绳索，不过一旦制成，它的强度将远超现有的钢筋，另外由于石墨烯绳索是由微观到宏观的一个生长过程，过程可控，未达到应力极限下发生断裂的可能性很小。
首先石墨烯经过卷曲可以形成碳纳米管那么如果我们可以生长出宏观尺度的二维石墨烯平面就可以制成一条长的碳管然后我们可以将许许多多束碳管绞合在一起当然这需要十分多的碳管才能形成宏观尺寸的石墨烯绳索不过一旦制成它的强度将远超现有的钢筋另外由于石墨烯绳索是由微观到宏观的一个生长过程过程可控未达到应力极限下发生断裂的可能性很小
石墨烯的光电特性及应用
摘要：石墨烯独特的光电特性吸引了许多领域中的学者进行研究，在纳米材料领域这种材料更是有着很大的关注力度。有关学者也语言石墨烯在未来可能代替硅化材料，发展成为电子元件发展的重要部件，本文也综述了这种物质述
石墨烯是科学家最早发现的一种具有稳定二维结构碳的材料，是一种理想的二维碳质晶体。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，它是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面状薄膜。石墨烯是碳的多种形态中的基本结构单元，单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335nm，碳的其他存在形态为碳纳米管、石墨、富勒烯、金刚石（图1）。石墨烯是已知自然界稳定存在的最薄的材料，并且具有极大的比表面积、超高的导热率、超强的导电性和强度等优点，因此其拥有良好的应用和市场前景。
最近几年，学者Ecthermeyer等人利用金属的等离子体和石墨烯进行结合，这种方法所得出的结构是和石墨烯光电探测的光电流一致的，而且这比较于没有等离子纳米结构的元件来说要高出一个数量级。而且因为等电子体产生一定的共振，纳米结构的稳定性被大大提高，单层原子厚度的石墨烯可以全面的受到这种等离子体的增强。
参考文献：
[1]孙玥.石墨烯的光电特性及应用[J].科技风，2017，（13）：87.
[2]李绍娟，甘胜，沐浩然，徐庆阳，乔虹，李鹏飞，薛运周，鲍桥梁.石墨烯光电子器件的应用研究进展[J].新型炭材料，2014，29（05）：329-356.
3、过滤方向
由于石墨烯的六角结构，且为纳米尺度的单层二维材料，那么我们可以将其制成海水过滤器件，这样小型的水分子可以较易通过器件，而较大的杂质则会被阻挡在外。具体可以将石墨烯平铺，用电子束在其上轰击出适于水分子通过的分子大小的小孔来，而水分子由两个H+和一个O离子组成，体积较小，这样海水中其他的元素，诸如Cl、Na、Mg等则通不过石墨烯层，可达到过滤海水的目的。
2、透明导体
所谓透明导体，是指由触摸屏、二极管以及太阳能电池组成的，对于表面电阻和透明度要求较高的器件的核心组件。作为电极的设备需要满足光的传入传出条件。而传统透明导体由高度掺杂的氧化物组成。但传统透明导体的应用会受到多因素的限制。例如机械的一定脆性对于他们作为弹性显示器来说很不利；一些稀缺元素的短缺也使得铟类显示器价格一直很高等。为了进一步满足对透明导体的发展需求，新技术的研发逐渐变得更为关键。在当前纳米材料领域中，碳基薄膜被许多学者认为富有多方面的优良性能。并且石墨烯和金属、纳米材料进行组合的复合材料可以作为优质的透明导体薄膜。石墨烯和硅相组合成的薄膜有着高达百分之九十四的透明度，薄层的导电率也为0.45S/cm。
2、石墨烯的光学性质
石墨烯有着非常优良的透光性，在近红外，以及可见光波段的透光率，单层石墨烯可高达98%。在可见光区，单原子层厚度的石墨烯所反射的光小于入射光的0.1%，当达到数十层时，会上升到2%左右。Li等人对石墨烯进行了研究，利用700—8000cm1谱段，发现石墨烯内部结构中存在多子交互作用（Many—BodyInteractions）。石墨烯是一种“光学透明”的导体，具有稳定的晶格结构，电子在石墨烯上以恒定的速率移动，石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。石墨烯里电子的有效质量为零，这和光子的行为极为相似。
三、石墨烯光电应用领域
1、光电探测器
光电的探测是将光能信号转换为电流信号。传统的光电检测都是基于传统半导体材料进行的，这些检测器的性能会因为材料属性的限制而改变。和传统的半导体材料相比较，石墨烯没有能带的间隙，可以吸收的光范围也是较大的。除此之外，过高的载电子迁移率让石墨烯成为科学家眼中制作光电探测器的优异材料。
结束语
总的来说，石墨烯这种材料在未来必定有着广阔的应用前景，不管是随着摩尔定律逐渐达到极限，石墨烯替代硅的主流研究方向，还是我所提出的一些不成熟的但的确具有可行性的其他应用方向，石墨烯作为一种新型材料的代表，也一定还有着更多更有意义的应用方式去值得我们探究。然而我认为尽管石墨烯有着美好可见的应用前景，但是高质量、单层石墨烯却仍只能由实验室来进行制备。而要实现前文所述的那些应用，我们目前的耽误之急则应该是解决大面积、高纯净的石墨烯的工业生产问题。
五、展望
石墨烯有着十分独特的物理结构以及光电特性，从其发现至今都有着十分重要的研究意义。而目前制备石墨烯的尺寸是不规范的，这也导致其难以批量的进行生产。所以介绍不同途径设计以及制造的石墨烯才是研究的关键所在。石墨烯有着近乎完美的原子杂化轨道，并且大范围的共轭体系使得石墨烯的电子传输能力大大增强。这是一种碳原子采用sp2杂化轨道进行杂化形成的六边形蜂窝状材料，在立体结构上则呈现出单原子层的特性。在可见光的区域内，仅有单原子厚度的石墨烯所反射的光线是低于入射光线的千分之一的，而当石墨烯累计到数十层的时候这个数据比例会上升到百分之二；而在石墨烯内部碳原子的挤撞对石墨烯内部的电子传输干扰很小。石墨烯的价电子和导电子形成狄拉克锥的结构，这是当前世界上发现电阻率最小的材料。所以对于石墨烯的研究可以更好的促进复合材料的研究，对于其光电性质研究有着更深远的意义，未来石墨烯的光电特性将会应用到更为广泛的行业。
2004年英国曼彻斯特大学的2位物理科学家——安德烈•海姆教授（Geim）和康斯坦丁•诺沃肖洛夫教授（KonstantinNovoselov），在实验室中成功从天然石墨片中第一次剥离出了具有二维结构的石墨烯，从而证明了二维材料在自然状态下可以单独存在，因这个革命性和颠覆性的发现，2位教授共同在2010年获得诺贝尔物理学奖。在此背景下，石墨烯的众多方向研究如火如荼的展开，并且迅速在全球范围里掀起了石墨烯制备、石墨烯复合技术和材料、石墨烯下游产品等的研究热潮。石墨烯材料超强的物理、化学和机械等主要特性如图2所示。
4、触摸屏
当前众多手机和数码相机的屏幕都是触摸屏，并且要求屏幕有快速和直观的反应。触摸屏主要由电阻和电容式两种形式组成。前者主要包括导电衬底以及液晶装置面板、透明导体薄膜。在实际操作的时候需要将面板的薄膜于底部进行接触，通过测算阻力数值进行接触点位置的确定；后者则是当前新兴的高端技术产物，电容式触摸屏利用触摸屏幕表面的静电场畸变，衡量出电容的变化量，从而提高电容式触摸屏的使用性能，降低开发的成本。
5、光学调制器
光学调制器是通过运用光线固有的速度以及互联的能力，运用在芯片上光学的互联，而且在针对电气连接的时候也有一定数量的损耗。光学的调制器以及集成芯片需要较大的光学带宽。硅基的光学调制器有着较弱的场效应，所产生毫米大小的脚位也在一定程度上增加了插入的损耗，妨碍
高速移动的性能。
和当前我国较为通用的半导体材料相比较来说，石墨烯有着高载波的移动特性以及脚位大的光学带宽，同时有着兼容能力较大的解调制功能。这些都是在制造高性能的光学调制器所必须的。在最近的研究中，石墨烯的光学调制需要达到1GHz，其光学的带宽要在1.35μm-1.6μm内，和当前市场上的调制器相比性能更高。
2、电力领域
由于石墨烯的超高的电子迁移率的电学特性，我们完全可以用石墨烯替代传统的电缆及铜线等，降低电流在输运过程当中的损耗。石墨烯上电子的迁移率极高，也就是说电导率高、电阻率小，电流通过时可以保持较低的损耗，具体实现方式可以是将石墨烯制成线型，替代现有城市间和城市里的电力输送网，这样可以极大的节省能源，，结合石墨烯线的高强度力学特性，更可以降低高压电线断裂的可能性，降低事故发生的隐患。