石墨烯的物理性質(zhì)及應(yīng)用研究

(山西工程技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，山西 陽泉 045000)

石墨烯的物理性質(zhì)及應(yīng)用研究

雷慧茹，張立宏

(山西工程技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，山西 陽泉 045000)

自石墨烯問世以來，人們就對石墨烯的性質(zhì)研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。鑒于其獨特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的物理特性，石墨烯成為了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的寵兒，備受各界科學(xué)家的青睞?；诖耍唵谓榻B了石墨烯的晶體及能帶結(jié)構(gòu)，詳細分析及研究了石墨烯的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)及熱學(xué)性質(zhì)，展望了石墨烯在傳感器、晶體管、電池等領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用前景。

石墨烯；物理性質(zhì)；應(yīng)用領(lǐng)域

石墨烯是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最薄的材料。其獨特的晶體及能帶結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)及熱學(xué)等性質(zhì)。作為一種新興材料，石墨烯展現(xiàn)出極大的活力，在微納電子元器件、高靈敏傳感器、鋰電池及太陽能電池、復(fù)合及吸附材料等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

1 石墨烯的基本結(jié)構(gòu)

1.1 石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)

石墨烯是由碳原子組成的，是石墨材料中的一層或幾層。構(gòu)成石墨烯的碳原子緊密填充在蜂窩狀的六邊形點陣結(jié)構(gòu)中，如圖1所示。由于石墨烯中碳原子的2s軌道和2p軌道部分交疊致使sp2雜化，使得相鄰碳原子之間形成夾角為120°的σ鍵，而剩余的一個p軌道則與相鄰的碳原子的p軌道形成離域大π鍵[1]。

1.2 石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)

石墨烯是一種典型的零帶隙半金屬材料，其導(dǎo)帶底與價帶頂具有相同的能量，并且能量E與動量P滿足線性色散關(guān)系，如圖2所示。石墨烯能帶在布里淵區(qū)低能邊緣呈現(xiàn)單點交疊并且完全對稱的方式。這種高度對稱的晶格勢使得電子成為有效質(zhì)量為0的無質(zhì)量粒子，進而可以在其中自由傳輸。這種準(zhǔn)粒子的運動滿足狄拉克方程，所以又稱為狄拉克費米子。這種獨特的能帶結(jié)構(gòu)使得石墨烯的載流子遷移率高達2×105cm2/(v·s)[2](比硅高100倍)。

2 石墨烯的物理性質(zhì)

2.1 力學(xué)性質(zhì)

石墨烯穩(wěn)定的苯六環(huán)結(jié)構(gòu)使得像紙一樣薄的石墨烯具備優(yōu)異的機械穩(wěn)定性，其抗拉強度極限可達到鋼強度的100倍。2008年，Lee等人[3]將一些10～20 μm的石墨烯微粒覆蓋于表面鉆有直徑為1～1.5 μm小孔的晶體薄板上，通過用金剛石探針對石墨烯微粒施壓的方法得出：每100 nm的石墨烯微粒最大可承受2.9 μN的壓力，相當(dāng)于要使長度為1 m的石墨烯斷裂需要施加55 N的力。2007年，Dikin 等人[4]對水流定向組裝法得到的無支撐氧化石墨烯紙狀材料進行了拉伸試驗，得到氧化石墨烯的平均楊氏拉伸模量約為32 GPa，具有與碳納米管巴基紙相當(dāng)?shù)男阅堋Ｒ荒旰?，Ramanathan等人[5]制備了功能化石墨烯，發(fā)現(xiàn)摻雜了一定量石墨烯的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的拉伸模量和強度隨摻雜量呈線性增加。緊接著，Liang等人[6]用同樣的方法實驗制備得到了石墨烯與熱塑性聚氨酯(TPU)的功能化復(fù)合材料，并得出僅加入w=1%的石墨烯便可使TPU復(fù)合材料的拉伸模量增加120% ，同時斷裂強度升高75%。2010年，Xu等人[7]實驗得到了自組裝水凝膠石墨烯片，發(fā)現(xiàn)π-π堆積得到的墨烯片與片之間結(jié)合緊密，其拉伸模量與斷裂強度分別高達1.1 TPa、125 GPa。

2.2 電學(xué)性質(zhì)

由于石墨烯特殊的能帶結(jié)構(gòu)，載流子濃度可高達1013cm-2，并且可在電子與空穴間自由穿行，使得石墨烯可兼有n型、p型特性，另外，石墨烯電子的有效質(zhì)量為零，沒有散射，使得石墨烯內(nèi)部載流子的遷移率可達1.5×104cm2/(v·s)，且與溫度無關(guān)，這一性質(zhì)使得石墨烯在微電子領(lǐng)域具有非常誘人的應(yīng)用前景[8]。石墨烯不同的制備條件可得到不同的遷移率，以SiO2為基底制成的石墨烯，理想條件下遷移率可高達4×104cm2/(v·s)；室溫懸浮的石墨烯載流子遷移率已達2×105cm2/(v·s)[9]。

另外，石墨烯具有最小電導(dǎo)率。當(dāng)載流子濃度為零時石墨烯仍存在電導(dǎo)率。這是石墨烯獨特的物理性質(zhì)之一。傳統(tǒng)半導(dǎo)體的電子隧穿幾率會隨著勢壘高度的增加呈現(xiàn)指數(shù)衰減[10-11]，而石墨烯中電子不受勢壘高度的限制，可以完全穿過勢壘。研究發(fā)現(xiàn)[12-13]，單層石墨烯的最小電導(dǎo)率與電子的輸運方式有關(guān)。在彈道輸運區(qū)內(nèi)，最小電導(dǎo)率的值只對短而寬的樣品與理論值相符，并隨樣品大小的變化而變化，而在擴散輸運區(qū)內(nèi)，最小電導(dǎo)率不隨樣品尺寸的變化而變化，這種現(xiàn)象與石墨烯的手征特性及零能隙結(jié)構(gòu)有關(guān)[14]。另外，石墨烯電阻率約為10-6Ω·cm[15]，是迄今為止電阻率最小的材料。這些性質(zhì)都為石墨烯在高要求的場效應(yīng)器件方面，如高速靈敏電子設(shè)備等方面奠定了基礎(chǔ)。

2.3 光學(xué)性質(zhì)

石墨烯獨一無二的平面結(jié)構(gòu)使得石墨烯僅有單原子厚度，幾近透明。石墨烯能帶結(jié)構(gòu)中狄拉克費米子的線性分布，使其在可見波段到太赫茲(THz)寬波段的透過率高達97.7%[16]，具有較強的透光率。

光與石墨烯的相互作用分帶內(nèi)、帶間躍遷兩種。在遠紅外和THz光譜范圍，電子響應(yīng)主要為帶內(nèi)躍遷。與金屬中自由電子響應(yīng)類似，可以激發(fā)表面等離激元波，所以又稱為自由載流子響應(yīng)。由于石墨烯中無質(zhì)量、超快動力的狄拉克費米子的存在，使得石墨烯激發(fā)的離激元局域性更強，衍射極限更低，壽命更長；另外，通過改變載流子濃度，還可以更加容易地調(diào)控等離激元譜。這些傳統(tǒng)等離激元與之無法比擬的優(yōu)勢使得石墨烯等離激元學(xué)成為當(dāng)今研究的熱點。在近紅外及可見光波段，電子響應(yīng)主要為帶間躍遷。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光子能量小于2倍費米能量時，躍遷被阻止，這時可以采用門電壓或摻雜的方法來改變載流子的濃度，降低費米子能量，進而擴展其可調(diào)控的光譜范圍[17]。這種良好的可調(diào)控性，使得石墨烯能夠應(yīng)用于光電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。

2.4 熱學(xué)性質(zhì)

石墨烯是一種熱穩(wěn)定材料，具有較高的熱導(dǎo)率系數(shù)。2008年，Balandin等人[18]用聚焦激光束加熱單片石墨烯，通過能量輸運分析測得單層石墨烯在室溫下的熱導(dǎo)率系數(shù)最高可達5300 W/( m·K)，這一結(jié)果是銅的13倍，并且比高溫條件下碳納米管的熱導(dǎo)率系數(shù)還要大。研究發(fā)現(xiàn)[19-22]，石墨烯的熱導(dǎo)率與石墨烯手性、尺寸、缺陷密度及邊緣粗糙度密切相關(guān)。石墨烯優(yōu)良的熱導(dǎo)率特性使得其能夠作為一種熱管材料用于微納電子器件方面。

3 石墨烯的應(yīng)用

3.1 傳感器領(lǐng)域

石墨烯的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)大大增加了其比表面積，使得石墨烯對周圍環(huán)境超級敏感，可以快速檢測到吸附或者釋放到石墨烯上的氣體分子。當(dāng)有氣體分子吸附于石墨烯上時，石墨烯原來特有的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，改變了石墨烯的內(nèi)部電荷密度，使得石墨烯的導(dǎo)電率快速發(fā)生變化，進而可以很快被探測到。這些獨特的重要特性使石墨烯在高靈敏度傳感器方面具有很大的應(yīng)用潛力。

3.2 晶體管領(lǐng)域

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體單電子晶體管溫度需冷卻至絕對零度才能正常工作，而用石墨烯制成的電子晶體管室溫下即可正常工作。并且其在室溫下具有很高的電子遷移速率，可高達2×105cm2/(v·s)，比一般半導(dǎo)體要快很多(硅約1400 cm2/(v·s))。研究表明，石墨烯可被刻成分子大小的單電子晶體管，并且這種小尺寸的單電子晶體管具有高度的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性[23]，可以極大提高計算機的運算速度，再加之石墨烯幾近“透明”的特性，可以預(yù)見石墨烯有望取代硅，在液晶顯示、電子產(chǎn)品等微電子領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。

3.3 電池領(lǐng)域

當(dāng)鋰離子嵌入以石墨烯納米板結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的納米材料柔性襯底后，襯底體積發(fā)生變化，然而由于石墨烯納米材料具有超過2600 m2/g的比表面積[24]，同時石墨烯內(nèi)部存在無序性及缺陷，并且具備優(yōu)異的電導(dǎo)率，所以將很快適應(yīng)其體積的變化，從而可提高鋰離子電池的可逆容量及循環(huán)性能。這種以石墨烯納米材料為襯底制成的鋰離子電池具有電力強勁、綠色環(huán)保、品質(zhì)穩(wěn)定、持久耐用等特點，是電池領(lǐng)域的研究熱點。

目前，金屬氧化物氧化銦錫(ITO)、氧化氟錫 (FTO)作為透光導(dǎo)電極材料已被廣泛應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域，然而這些導(dǎo)電玻璃具有較差的熱穩(wěn)定性，對紅外光譜有較強的吸收性，并且在聚合物離子擴散中極具易感性[25]。將石墨烯制成透明導(dǎo)電膜用于太陽能電池中，其電導(dǎo)率可高達1000 s/cm，同時在550 nm的光波下，透光率可以達到70%以上，是一種很有前途的透明導(dǎo)體新材料[26]。

3.4 其他領(lǐng)域

以石墨烯為支撐材料，可以開發(fā)復(fù)合材料的功能應(yīng)用及加工性能；并且鑒于石墨烯的單原子層結(jié)構(gòu)特征及優(yōu)良的導(dǎo)電性能優(yōu)勢，石墨烯可作為一種載體制備燃料電池催化劑，并且可用于制成吸附抗腫瘤藥物的催化劑[27-28]。經(jīng)研究[29]，石墨烯對H2、CO2等廢棄物也具有較高的吸附性能，預(yù)計未來在飛機、汽車等交通工具及大型機械上將會有很好的環(huán)境效益。另外，石墨烯還可用于超級電容及太陽能光伏發(fā)電等[30-31]，這將極大地提高能源利用率。

4 總結(jié)及展望

綜上所述，正是石墨烯獨一無二的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)致使石墨烯呈現(xiàn)出斷裂強度大、載流子遷移率高、電導(dǎo)率小、比表面積大、透明度高及熱導(dǎo)率系數(shù)大等諸多優(yōu)異物理性能，因此在未來石墨烯有望取代硅成為新一代半導(dǎo)體材料，無論在傳感器、晶體管、電池等物理領(lǐng)域，還是在合成復(fù)合、吸附、儲能材料等化學(xué)、生物領(lǐng)域，石墨烯都有可能占有一席之地。

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The Physical Properties and Application of Graphene

LEI Huiru,ZHANG Lihong

(Basic Teaching Department,Shanxi Institute of Technology,Yangquan Shanxi 045000,China)

Since the advent of graphene,there has been a strong interest in the nature of graphene.Due to its unique structure and excellent physical characteristics,graphene has become a favorite of scientists.Based on this,this article simply introduces the crystals and band structure of graphene,studies and analysis the mechanical,electrical,optical and thermal properties of graphene in detail,and prospects the application of graphene in the field of sensor,transistor,batteries,and so on.

graphene;physical properties;application area

2017-07-11

雷慧茹(1988-)，女，山西晉中人，助教，碩士，主要從事半導(dǎo)體材料與器件研究。E-mail:leihuiru1988@163.com

O469

A

1004-2237(2017)06-0037-04

10.3969/j.issn.1004-2237.2017.06.009