石墨烯的光電特性及應用

孫玥

摘要：石墨烯是納米尺度的碳材料， 具有很大的比表面積、良好的導電性及優(yōu)秀的機械性質(zhì)等特性。這些性質(zhì)使得這種材料在很多領域都有極高的應用前景，本文以石墨烯材料為綜述對象，介紹了它的基本性質(zhì)、光電學特性， 同時將對石墨烯在電子學領域中的發(fā)展前景進行展望，并提出一些個人觀點及總結(jié)。

關(guān)鍵詞： 石墨烯；光電學特性；應用；前景展望

一、石墨烯的基本性質(zhì)

石墨烯是由單層的碳原子構(gòu)成，所以它是地球上到目前為止已知的最薄的納米材料[1]，由于石墨烯的每個碳原子均為sp2雜化，而且把剩下在p軌道上的一個電子形成大π鍵，π電子是能夠任意轉(zhuǎn)移的，所以優(yōu)異的導電性能也是石墨烯的性能之一，它還是地球上電阻率最小的納米材料，電阻率僅有約106Ω·cm 。在常溫下，石墨烯中碳原子與碳原子之間的作用力非常強，即使周圍的碳原子發(fā)生了移動，碳原子中的電子也不容易被影響，電子在石墨烯中移動時也不容易散射，遷移率可達2×105cm2/V·s[2]，硅的電子遷移率只有石墨烯的百分之一。

石墨烯的力學性能也是很好的，到目前為止，在所有人們知道的材料中，石墨烯的強度和硬度最高，它的晶體結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。其抗拉強度和彈性模量分別為123GPa和1.09TPa。因此石墨烯可以作為一種二維增強相，在復合材料領域有很大的應用價值。

二、石墨烯材料主要特性

（一）石墨烯的電學性質(zhì)

石墨烯是由sp2雜化的碳原子構(gòu)成，這種構(gòu)成方式會多出一個p軌道的電子，從而形成大π鍵，π電子可以自由的移動，這賦予了石墨烯優(yōu)異的電子學性能。石墨烯原子與原子之間的引力和排斥力都很強，在常溫狀態(tài)，石墨烯內(nèi)部的電子很少會受到外部影響，電子在移動時不容易產(chǎn)生散射現(xiàn)象，遷移率是硅中電子的130倍，其電導率達到了106S/m，是常溫下導電性最佳的材料。另外石墨烯還具有半金屬特性，它的導帶和價帶之間有一部分是重疊的。利用這一特性，人們已經(jīng)開始試著把石墨烯應用到高性能的場效應管中。現(xiàn)制造大面積的石墨烯薄膜的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，這加大了它在電子信息領域應用的可能性。石墨烯晶格具有六方對稱性。

（二）石墨烯的光學性質(zhì)

石墨烯有著非常優(yōu)良的透光性，在近紅外，以及可見光波段的透光率，單層石墨烯可高達98%。在可見光區(qū)，單原子層厚度的石墨烯所反射的光小于入射光的0.1%，當達到數(shù)十層時，會上升到2%左右。Li等人對石墨烯進行了研究，利用700—8000cm1譜段，發(fā)現(xiàn)石墨烯內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在多子交互作用（Many—Body Interactions） [3]。石墨烯是一種“光學透明”的導體，具有穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，電子在石墨烯上以恒定的速率移動，石墨烯還表現(xiàn)出了異常的整數(shù)量子霍爾行為。石墨烯里電子的有效質(zhì)量為零，這和光子的行為極為相似。

三、應用于電子學領域的思考

我們可以利用石墨烯來制造整個芯片，這是由于石墨烯是零帶隙半導體，其運送電子的速率比硅快幾十倍，那么石墨烯器件制成的計算機運行速率也將會遠遠超過現(xiàn)有的傳統(tǒng)計算機。此外，石墨烯本身就是最薄的材料，用它制造晶體管時不像硅材料需要“切”得很小。因此，有可能解決目前工藝上縮小晶體管尺寸帶來的諸多問題，實現(xiàn)超大規(guī)模集成。同時，石墨烯導熱性非常好，對于解決CPU的散熱問題很有實際意義。除了利用石墨烯開發(fā)出高響應頻率的晶體管，石墨烯高遷移率、低噪聲的特性使其亦能夠用于場效應管。我想，隨著人們對于石墨烯材料研究的不斷深入，由二位石墨烯卷曲所得的碳納米管組成的分子導線、二極管、場效應管、單電子晶體管亦不斷出現(xiàn)，這些部件經(jīng)過有機組合必定能完成一定邏輯功能的電路。

四、石墨烯其他應用的個人設想

正如前文提到的石墨烯有許多的優(yōu)異的性質(zhì)，那么必然是有巨大并未曾被人們發(fā)現(xiàn)或者說提到的應用方式。在這里，我想寫一些我所認為的石墨烯有可能的新的應用。

（一）建筑領域

石墨烯的力學強度是鋼鐵的一百倍，那么我們是否可以將石墨烯卷曲后并且制成可見長度的石墨烯繩索替代建筑領域里的鋼筋繩獲得更高強度的支撐。首先，石墨烯經(jīng)過卷曲可以形成碳納米管，那么如果我們可以生長出宏觀尺度的二維石墨烯平面就可以制成一條長的碳管，然后我們可以將許許多多束碳管絞合在一起，當然，這需要十分多的碳管才能形成宏觀尺寸的石墨烯繩索，不過一旦制成，它的強度將遠超現(xiàn)有的鋼筋，另外由于石墨烯繩索是由微觀到宏觀的一個生長過程，過程可控，未達到應力極限下發(fā)生斷裂的可能性很小。

（二）電力領域

由于石墨烯的超高的電子遷移率的電學特性，我們完全可以用石墨烯替代傳統(tǒng)的電纜及銅線等，降低電流在輸運過程當中的損耗。石墨烯上電子的遷移率極高，也就是說電導率高、電阻率小，電流通過時可以保持較低的損耗，具體實現(xiàn)方式可以是將石墨烯制成線型，替代現(xiàn)有城市間和城市里的電力輸送網(wǎng)，這樣可以極大的節(jié)省能源，，結(jié)合石墨烯線的高強度力學特性，更可以降低高壓電線斷裂的可能性，降低事故發(fā)生的隱患。

（三）過濾方向

由于石墨烯的六角結(jié)構(gòu)，且為納米尺度的單層二維材料，那么我們可以將其制成海水過濾器件，這樣小型的水分子可以較易通過器件，而較大的雜質(zhì)則會被阻擋在外。具體可以將石墨烯平鋪，用電子束在其上轟擊出適于水分子通過的分子大小的小孔來，而水分子由兩個H+和一個O離子組成，體積較小，這樣海水中其他的元素，諸如Cl、Na、Mg等則通不過石墨烯層，可達到過濾海水的目的。

五、總結(jié)與感想

總的來說，石墨烯這種材料在未來必定有著廣闊的應用前景，不管是隨著摩爾定律逐漸達到極限，石墨烯替代硅的主流研究方向，還是我所提出的一些不成熟的但的確具有可行性的其他應用方向，石墨烯作為一種新型材料的代表，也一定還有著更多更有意義的應用方式去值得我們探究。然而我認為盡管石墨烯有著美好可見的應用前景，但是高質(zhì)量、單層石墨烯卻仍只能由實驗室來進行制備。而要實現(xiàn)前文所述的那些應用，我們目前的耽誤之急則應該是解決大面積、高純凈的石墨烯的工業(yè)生產(chǎn)問題。