1、毕业论文文献综述应用物理边界无序的GRAPHENE纳米带的电导2010年诺贝尔物理学奖授予了英国曼彻斯特大学科学家安德烈K海姆和康斯坦丁沃肖洛夫，以表彰他们在GRAPHENE材料方面的卓越研究。可以说GRAPHENE这个词在物理领域还是个新词，从2004年由英国曼彻斯特大学的安德烈K海姆ANDREKGEIM等制备出了GRAPHENE到现在也只经过了6年的时间。但自GRAPHENE问世以来，人们对于GRAPHENE的研究热情就从来没有减低过。石墨烯GRAPHENE是由单层六角原胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体,是构建其他维度碳质材料如0D富勒烯、1D纳米管、3D石墨的基本单元1。由于其特殊的单层结构
2、，导致其拥有许多特殊的物理性质，因此这些丰富和新奇的物理性质都需要我们去探索认识。我通过查询这6年来关于GRAPHENE的文献，特别是认真阅读了一些外文文献，并在网上通过搜索认真看了近年来关于GRAPHENE的很多新闻，网上杂志。已能大致对GRAPHENE这些年的发展状况做一些总结，下面我就分几个板块来描述GRAPHENE这些年来的进展，并对我自己认为的将来GRAPHENE的发展和趋势做自己简要的分析。石墨烯的物理性质1电子效应通过迄今为止在GRAPHENE的研究中，我们不难发现人们对于GRAPHENE有这么大的研究热情很大程度上在于它的电子效应。安德烈K海姆等在成功分离出GRAPHENE后，
3、测量了分离出的单层GRAPHENE分子的电子迁移率，惊奇的发现电荷在GRAPHENE中的迁移率达到了10000CM2/VS,这还是室温且未除去杂志的情况下测量的，然尔到2008年，GEIM和他同事领导的小组声称其迁移率可以达到20000CM2/VS，然而过了不久，来自哥伦比亚大学的KIRILLBOLOTIN将这个速率提高到了25000CM2/VS，很多人可能对这些数据没什么概念，如果我们知道现在晶体管的主要材料硅的迁移率不过1400CM2/VS的时候，我们就不难明白为什么GRAPHENE会一经发现就引起研究热潮了。已经有科学家预言，由于GRAPHENE在电学方面的独特性质,使其成为下一代纳米电
4、子器件材料的热门备选。到目前为止基于GRAPHENE的多种纳米元器件已经在理论和实验研究中取得了一些成果,如PN结、传感器、场效应管等。2,32非电子效应除了特殊的电子效应，GRAPHENE的非电子同样引起了人们极大的热情。首先人们发现了GRAPHENE具有良好的导热性，能达到5000W/MK，是GRAPHENE出现以前导热性最了的金刚石的5倍。还有他的坚固性，美国哥伦比亚大学JAMESHONETJEFFREYKYSAR在2008年7月科学杂志中宣布，GRAPHENE是世界上已知的最为坚固的材料，如果科学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料袋的（厚度约100NM），它将能承受大约2000KG的重
5、力。也有的科学家使用原子尺寸的金属和钻石探针对GRAPHENE进行穿刺，却惊奇的发现它比钻石还要强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍。这些特性也使石墨在将来能用在太空探究中去。43化学性质人们对于GRAPHENE化学方面的研究开始得比较晚，到目前为止也就近4年的时间，人们对于GRAPHENE化学研究很大的一个困难在于现如今GRAPHENE的制备方法仍然不是那么完善，这就导致GRAPHENE的研究缺乏适用于传统化学方法的样品。到目前为止，人们发现GRAPHENE表面跟石墨一样能吸附或脱附原子和分子，通过这个性质。2009年1月30日，安德烈K海姆ANDREKGEIM等在美国科学杂志上发表
6、文章成功制备出了GRAPHENE的第一个衍生物，石墨烷（GRAPHANE），由此打开了制造GRAPHENE化学衍生物的闸门，这将进一步拓宽GRAPHENE的应用空间。2009年6月27日美国化学学会主办的纳米材料科学的权威杂志纳米快报刊发了北京大学工学院先进材料与纳米技术系、北京大学应用物理与技术研究中心孙强教授研究组的论文“FERROMAGNETISMINSEMIHYDROGENATEDGRAPHENESHEET”，报导了他们在单层GRAPHENE磁性研究方面的最新成果，孙强教授研究组首次提出了通过半氢化的方法在GRAPHENE中实现铁磁性的思想，并将半氢化的GRAPHENE命名为GRAPH
7、ONE，这是在继GRAPHENE，GRAPHANE之后所引入的新的结构形态。5,6石墨烯的制备方法1传统方法GRAPHENE的传统方法主要有微机械分离法，氧化石墨还原法，加热SIC法，化学相沉积法等，但这些方法或我或少都存在一些缺陷和不足，如机械分离法虽然能产生的GRAPHENE晶体结构较为完整，缺陷较少，可用于实验，但这种方法无法控制单层GRAPHENE的尺寸大小，无法应用于实践2。而加热SIC法是通过加热6HSIC脱除SI，从而得到SIC表面外延的GRAPHENE，但是这种方法制造的GRAPHENE难以从SIC衬底上分离出来，不能成为大量制造GRAPHENE的方法7,8。由于传统方法存在的
8、缺陷，这里就不多介绍这些方法的具体制造方法。2近一年来新出现的方法下面具体介绍2种近年来制造GRAPHENE的比较优秀的方法CVD法CVD法可获得大面积,厚度可控的高质量GRAPHENE,并与现有的半导体制造工艺兼容。KIM9等采用CVD法成功制备了高质量GRAPHENE。他们首先在SIO2/SI衬底上沉积厚度为300NM的金属NI,然后将样品放置于石英管内,在氩气气氛下,加热到1000,再通入流动的混合气体CH4H2AR5065200,最后在氩气气氛下,快速冷却冷却速率为1056322S1样品至室温,即制得GRAPHENE薄膜。WEI等采用硫化锌纳米带作为模板,通过化学气相沉积法成功制备了G
9、RAPHENE带,实现了对GRAPHENE形状的控制,并制备了GRAPHENE带的纳米机电原型器件,先前的方法制备出的GRAPHENE的形状基本上都是无规的,而模板CVD法的提出,使得大规模可控地合成具有规则形貌的GRAPHENE成为现实。1由纳米管MCNTS制造GRAPHENE带GRNSJAMES小组使用碳纳米管成功地制造出了石墨纳米带。JAMES10小组使用高锰酸钾和硫酸的混合物,在比较温和的条件下,沿着一个轴心打开纳米管,他们得到的丝带要宽一些,大约为100500NM。这些丝带虽不是半导体,但更容易大规模制造。JAMES相信,他的丝带能用来制造太阳能电池板、可弯曲的触摸显示屏,还能够制成
10、轻薄、导电的纤维,以取代在飞机和宇宙飞船上使用的笨重铜线。DAI研究小组的窄带具有导电性能,因此在电子工业将具有广泛用途,他们已使用GRAPHENE带制造出了基本的晶体管。1近年来新出现的制造方法还有很多如有机合成法这种方法制造出的石墨纳米带使具有新颖的结构和特殊的电学性质。还有外延生长法，氧化石墨还原法等。1相信在这个趋势下更好更完善的GRAPHENE的制备方法会不断出现，这是我们能将GRAPHENE推广应用的关键。石墨烯的应用GRAPHENE有太多优越性，应用面很广，太阳能电池、传感器方面、纳米电子学、高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有广泛的应用，当然应
11、用最多的应该还是半导体领域。但是很多还只是在理论阶段，这是由于GRAPHENE出现的时间不长，更主要的是现在在GRAPHENE的制备技术上我们还没突破GRAPHENE尺寸小且分布不匀，难以批量生产以及性能难以精确控制等瓶颈。1当然到目前为止GRAPHENE的应用领域也已经取得了一些成就GRAPHENE的电导性质，决定了有很好的作为未来制作晶体管的材料的潜力。但是GRAPHENE本身没有能隙，导带和价带的形状像一对倒置的圆锥，两者在锥尖E0处相连，而在E0处，其电导率不会像半导体一样变为0,而是降为一个最小值。11这对制造晶体管是致命的，为了解决这个问题，已经有人做了不少偿试。一个使GRAPHE
12、NE成为半导体的方法是将其切成1020纳米的GRAPHENE带。2007年，来自哥伦比亚的KIM领导的小组说他们用平版印刷，创造出石墨纳米带，制成了晶体管的样式。1斯坦福大学的戴宏杰领导的研究小组用化学方法产生的GRAPHENE带具有很好的运输正电荷的能力，可以作为P型半导体的材料，然而晶体管中两有两个PN结，故要制造晶体管还需要N型半导体。到了2009年5月8日戴宏杰领导的小组声称在GRAPHENE带的边缘附上氨基团后，能作为N型半导休，这算是一个不小的进展。12而2008年4月，GRAPHENE的发现者ANDREKGEIM也开发出了世界最小的晶体管。13但到目前为止，这些技术都不是很成熟，
13、所以我认为石墨要在近几年取代硅基本不可能实现。其实近年来GRAPHENE主要的应用方面在复合材料方面。事实上，非凝固微米尺寸的度的晶体GRAPHENE粉末已经可以批量生产，这就导致导电塑料的产生。低的生产成本使得基于GRAPHENE的复合材料在应用方面极具吸引力。GRAPHENE粉末的另一个诱人应用是电池，这也已经是石墨的一个最主要的市场。GRAPHENE粉末的大表面体积比和高电导率对电池效率也是一个提高，从而取代了现在电池的碳纳米纤维。碳纳米管已经被考虑应用。在这一方面，但是GRAPHENE粉末有更廉价的优点。14与单壁碳纳米管类似,石墨纳米带可以分成扶手椅ARMCHAIR型石墨纳米带具有锯
14、齿边缘和锯齿ZIGZAG型石墨纳米带具有扶手椅边缘,扶手椅型石墨纳米带表现为金属性,锯齿型石墨纳米带随带宽不同表现为金属性或半导体性,能隙存在振荡现象，因此对锯齿型石墨纳米带的研究就显得更有必要。同时在石墨纳米带的制备过程中,不可避免地存在各种缺陷,如拓扑缺陷、空位和吸附原子,从而影响了石墨纳米带的性能但缺陷效应对其电子输运和热力学特性的影响机理尚不完成清楚边缘缺陷效应的研究有助于了解石墨纳米带的本征电子输运及其器件设计。15所以我认为这是以后对石墨烯的主要研究重点和方向。相信在今后的几年中不仅是物理界或者化学界都经常能看到石墨烯的身影，只要通过人们不断的研究开发，石墨烯必然会成为未来各个领域
15、里不过缺少的材料之一。现今我们已经利用第一性原理电子结构和输运性质计算方法,研究了ZIGZAG型单层石墨纳米带的电子结构和输运性质及其边缘空位缺陷效应。得到了以下结论完整边缘的ZIGZAG型石墨纳米带是具有一定能隙的半导体带，边缘空位缺陷的存在使得纳米带能隙变小，且缺陷浓度越大，能隙越小，并发生半导体金属转变。这个研究结果将有助于在能带工程中实现裁剪其电子结构,应用于基于石墨纳米带的功能器件设计。15参考文献1乔峰，朱海涛，石墨烯制备、表征及应用研究最新进展，青岛科技大学材料学院,青岛2660422王春,纳米金刚石_碳纳米管_石墨烯性能的第一原理研究，吉林大学博士学位论文3ROBERTFSER
16、VICE,CARBONSHEETSANATOMTHICKGIVERISETOGRAPHENEDREAMS,SCIENCE324,8758774AKGEIM,GRAPHENESTATUSANDPROSPECT,SCIENCE324,5305AKGEIM，KSNOVOSELOV，CONTROLOFGRAPHENESPROPERTIESBYREVERSIBLEHYDROGENATIONEVIDENCEFORGRAPHANE，SCIENCE30JANUARY20096JZHOU,QWANG,QSUN,XSCHEN,YKAWAZOE,ANDPJENA,FERROMAGNETISMINSEMIHYDROG
17、ENATEDGRAPHENESHEET,NANOLETTERS2009VOL9,NO11386738707黄桂荣，石墨烯的合成与应用，炭素技术29卷（2009年）1期，35388刘忠良，碳化硅薄膜的外延生长_结构表征及石墨烯的制备，中国科技大学博士学位论文9田雪雁,徐征,赵谡玲,等有机无线射频识别技术的研究进展J半导体技术,2008,33427728010张云霞物联网商业模式探讨J电信科学,2010,46111511RMWESTERVELT,GRAPHENENANOELECTRONICS,SCIENCE320,32432512ROBERTFSERVICE,CARBONSHEETSANATOMTHICKGIVERISETOGRAPHENEDREAMS,SCIENCE324,87587713吴康迪，石墨烯晶体管摩尔定律的延寿者，计算机世界报（2008年）43期，383914陈闽江，邱彩玉，孙连峰，浅谈石墨烯的发展与应用，国家纳米科学中心器件研究室北京1001915欧阳方平，徐慧，李明君，肖金，ARMCHAIR型石墨纳米带的电子结构和输运性质中南大学物理科学与技术学院,长沙410083
