石墨烯的光電特性及應(yīng)用

岳洋

【摘 要】作為當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的唯一自由二維存在的自由態(tài)晶體，石墨烯有著十分獨(dú)特的二維平面結(jié)構(gòu)以及熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性能，并且成為當(dāng)前研究納米材料的重點(diǎn)之一。本文通過闡述石墨烯特有的光電特性，以及這些特性在實(shí)際生活中的應(yīng)用研究進(jìn)展，分析石墨烯在光電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，以供讀者參考。

【關(guān)鍵詞】石墨烯；光電性能；合成；應(yīng)用

在二十一世紀(jì)初期的時(shí)候，英國教授Geim等人運(yùn)用機(jī)械作用力將石墨的晶體表層進(jìn)行剝離，并分離出石墨烯的片層結(jié)構(gòu)。這是一種碳原子采用sp2雜化軌道進(jìn)行雜化形成的六邊形蜂窩狀材料，在立體結(jié)構(gòu)上則呈現(xiàn)出單原子層的特性。石墨烯和金屬、納米材料進(jìn)行組合的復(fù)合材料可以作為優(yōu)質(zhì)的透明導(dǎo)體薄膜。石墨烯和硅相組合成的薄膜有著高達(dá)百分之九十四的透明度。石墨烯有著近乎完美的原子雜化軌道，并且大范圍的共軛體系使得石墨烯的電子傳輸能力大大增強(qiáng)。室溫情況下的因其自身特有的結(jié)構(gòu)，石墨烯有著200000cm2 /V·s的電子水平遷移率。

石墨烯獨(dú)特的光電特性吸引了許多領(lǐng)域中的學(xué)者進(jìn)行研究，在納米材料領(lǐng)域這種材料更是有著很大的關(guān)注力度。有關(guān)學(xué)者也語言石墨烯在未來可能代替硅化材料，發(fā)展成為電子元件發(fā)展的重要部件，本文也綜述了這種物質(zhì)的光電特性及其應(yīng)用。

一、石墨烯的光電性質(zhì)

（一）石墨烯的光學(xué)性質(zhì)

在可見光的區(qū)域內(nèi)，僅有單原子厚度的石墨烯所反射的光線是低于入射光線的千分之一的，而當(dāng)石墨烯累計(jì)到數(shù)十層的時(shí)候這個(gè)數(shù)據(jù)比例會(huì)上升到百分之二。同時(shí)在可見光區(qū)內(nèi)，石墨烯吸收光的程度在2.3%左右。而在一般情況下，電子占據(jù)的都是低能量分布的狀態(tài)，在粒子數(shù)發(fā)生倒轉(zhuǎn)的時(shí)候這種情況就會(huì)相反出現(xiàn)。

（二）石墨烯的電學(xué)性質(zhì)

石墨烯有著較為優(yōu)異的導(dǎo)電特性。在石墨烯中的每一個(gè)碳原子都由四個(gè)價(jià)電子圍繞，而其中三個(gè)價(jià)電子和周圍碳原子進(jìn)行結(jié)合產(chǎn)生sp2 共價(jià)鍵。余下的一個(gè)價(jià)電子將作為“貢獻(xiàn)電子”，多個(gè)碳原子的“貢獻(xiàn)電子”齊聚在pz 軌道中，形成π鍵。這種半填滿的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。電子可以在這種二維的晶體中進(jìn)行自由的移動(dòng)。并且因原子間的作用力影響，周圍碳原子的擠撞對(duì)石墨烯內(nèi)部的電子傳輸干擾很小。石墨烯的價(jià)電子和導(dǎo)電子形成狄拉克錐的結(jié)構(gòu)，這是當(dāng)前世界上發(fā)現(xiàn)電阻率最小的材料。

二、石墨烯光電應(yīng)用領(lǐng)域

（一）光電探測(cè)器

光電的探測(cè)是將光能信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。傳統(tǒng)的光電檢測(cè)都是基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料進(jìn)行的，這些檢測(cè)器的性能會(huì)因?yàn)椴牧蠈傩缘南拗贫淖?。和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比較，石墨烯沒有能帶的間隙，可以吸收的光范圍也是較大的。除此之外，過高的載電子遷移率讓石墨烯成為科學(xué)家眼中制作光電探測(cè)器的優(yōu)異材料。

最近幾年，學(xué)者Ecthermeyer等人利用金屬的等離子體和石墨烯進(jìn)行結(jié)合，這種方法所得出的結(jié)構(gòu)是和石墨烯光電探測(cè)的光電流一致的，而且這比較于沒有等離子納米結(jié)構(gòu)的元件來說要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。而且因?yàn)榈入娮芋w產(chǎn)生一定的共振，納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性被大大提高，單層原子厚度的石墨烯可以全面的受到這種等離子體的增強(qiáng)。

（二）透明導(dǎo)體

所謂透明導(dǎo)體，是指由觸摸屏、二極管以及太陽能電池組成的，對(duì)于表面電阻和透明度要求較高的器件的核心組件。作為電極的設(shè)備需要滿足光的傳入傳出條件。而傳統(tǒng)透明導(dǎo)體由高度摻雜的氧化物組成。但傳統(tǒng)透明導(dǎo)體的應(yīng)用會(huì)受到多因素的限制。例如機(jī)械的一定脆性對(duì)于他們作為彈性顯示器來說很不利；一些稀缺元素的短缺也使得銦類顯示器價(jià)格一直很高等。為了進(jìn)一步滿足對(duì)透明導(dǎo)體的發(fā)展需求，新技術(shù)的研發(fā)逐漸變得更為關(guān)鍵。在當(dāng)前納米材料領(lǐng)域中，碳基薄膜被許多學(xué)者認(rèn)為富有多方面的優(yōu)良性能。并且石墨烯和金屬、納米材料進(jìn)行組合的復(fù)合材料可以作為優(yōu)質(zhì)的透明導(dǎo)體薄膜。石墨烯和硅相組合成的薄膜有著高達(dá)百分之九十四的透明度，薄層的導(dǎo)電率也為0.45S/cm。

（三）顯示器和光線發(fā)射器

所謂液晶顯示器是通過運(yùn)用載玻片分離的石墨烯作為透明導(dǎo)體的。這類石墨烯的阻值較低，電子的傳輸率也高達(dá)百分之九十八。在相同的阻值條件下的其他材料薄膜傳輸率為百分之九十五左右。發(fā)光的二極管和其他的光電設(shè)備是一樣的，都采用了石墨烯作為透明靈活的電極。有機(jī)的發(fā)光二極管作為顯示器中最新的商業(yè)技術(shù)包含帶電致使發(fā)光聚合物活躍的性質(zhì)。作為顯示器中最新的商業(yè)技術(shù)，有機(jī)的發(fā)光二極管可以用作超薄的顯示屏。同時(shí)許多發(fā)光的裝置都利用了碳基的透明薄膜。而石墨烯作為陰極或者陽極在經(jīng)過等電子體處理之后可以進(jìn)行發(fā)光。

（四）觸摸屏

當(dāng)前眾多手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的屏幕都是觸摸屏，并且要求屏幕有快速和直觀的反應(yīng)。觸摸屏主要由電阻和電容式兩種形式組成。前者主要包括導(dǎo)電襯底以及液晶裝置面板、透明導(dǎo)體薄膜。在實(shí)際操作的時(shí)候需要將面板的薄膜于底部進(jìn)行接觸，通過測(cè)算阻力數(shù)值進(jìn)行接觸點(diǎn)位置的確定；后者則是當(dāng)前新興的高端技術(shù)產(chǎn)物，電容式觸摸屏利用觸摸屏幕表面的靜電場(chǎng)畸變，衡量出電容的變化量，從而提高電容式觸摸屏的使用性能，降低開發(fā)的成本。

（五）光學(xué)調(diào)制器

光學(xué)調(diào)制器是通過運(yùn)用光線固有的速度以及互聯(lián)的能力，運(yùn)用在芯片上光學(xué)的互聯(lián)，而且在針對(duì)電氣連接的時(shí)候也有一定數(shù)量的損耗。光學(xué)的調(diào)制器以及集成芯片需要較大的光學(xué)帶寬。硅基的光學(xué)調(diào)制器有著較弱的場(chǎng)效應(yīng)，所產(chǎn)生毫米大小的腳位也在一定程度上增加了插入的損耗，妨礙高速移動(dòng)的性能。

和當(dāng)前我國較為通用的半導(dǎo)體材料相比較來說，石墨烯有著高載波的移動(dòng)特性以及腳位大的光學(xué)帶寬，同時(shí)有著兼容能力較大的解調(diào)制功能。這些都是在制造高性能的光學(xué)調(diào)制器所必須的。在最近的研究中，石墨烯的光學(xué)調(diào)制需要達(dá)到1GHz，其光學(xué)的帶寬要在1.35μm-1.6μm內(nèi)，和當(dāng)前市場(chǎng)上的調(diào)制器相比性能更高。

三、展望

石墨烯有著十分獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)以及光電特性，從其發(fā)現(xiàn)至今都有著十分重要的研究意義。而目前制備石墨烯的尺寸是不規(guī)范的，這也導(dǎo)致其難以批量的進(jìn)行生產(chǎn)。所以介紹不同途徑設(shè)計(jì)以及制造的石墨烯才是研究的關(guān)鍵所在。石墨烯有著近乎完美的原子雜化軌道，并且大范圍的共軛體系使得石墨烯的電子傳輸能力大大增強(qiáng)。這是一種碳原子采用sp2雜化軌道進(jìn)行雜化形成的六邊形蜂窩狀材料，在立體結(jié)構(gòu)上則呈現(xiàn)出單原子層的特性。在可見光的區(qū)域內(nèi)，僅有單原子厚度的石墨烯所反射的光線是低于入射光線的千分之一的，而當(dāng)石墨烯累計(jì)到數(shù)十層的時(shí)候這個(gè)數(shù)據(jù)比例會(huì)上升到百分之二；而在石墨烯內(nèi)部碳原子的擠撞對(duì)石墨烯內(nèi)部的電子傳輸干擾很小。石墨烯的價(jià)電子和導(dǎo)電子形成狄拉克錐的結(jié)構(gòu)，這是當(dāng)前世界上發(fā)現(xiàn)電阻率最小的材料。所以對(duì)于石墨烯的研究可以更好的促進(jìn)復(fù)合材料的研究，對(duì)于其光電性質(zhì)研究有著更深遠(yuǎn)的意義，未來石墨烯的光電特性將會(huì)應(yīng)用到更為廣泛的行業(yè)。

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