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石墨烯的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應用方向

2842160956? 2017年01月04日 09:27 ? 次閱讀

  1.石墨烯(Graphene)的結(jié)構(gòu)

  石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢狀晶格的平面薄膜,是一種只有一個原子層厚度的二維材料。如圖1.1所示,石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定義每個原胞內(nèi)有兩個原子,分別位于A和B的晶格上。C原子外層3個電子通過sp2雜化形成強σ鍵(藍),相鄰兩個鍵之間的夾角120°,第4個電子為公共,形成弱π鍵(紫)。石墨烯的碳-碳鍵長約為0.142nm,每個晶格內(nèi)有三個σ鍵,所有碳原子的p軌道均與sp2雜化平面垂直,且以肩并肩的方式形成一個離域π鍵,其貫穿整個石墨烯。

  

  圖 1.1(a)石墨烯中碳原子的成鍵形式 (b)石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)

  如圖1.2所示,石墨烯是富勒烯(0維)、碳納米管(1維)、石墨(3維)的基本組成單元,可以被視為無限大的芳香族分子。形象來說,石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢狀的晶格結(jié)構(gòu),看上去就像由六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。每個碳原子通過sp2雜化與周圍碳原子構(gòu)成正六邊形,每一個六邊形單元實際上類似一個苯環(huán),每一個碳原子都貢獻一個未成鍵的電子,單層石墨烯的厚度僅為0.335nm,約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。

  

  圖1.2石墨烯原子結(jié)構(gòu)圖及它形成富勒烯、碳納米管和石墨示意圖

  石墨烯按照層數(shù)劃分,大致可分為單層、雙層和少數(shù)層石墨烯。前兩類具有相似的電子譜,均為零帶隙結(jié)構(gòu)半導體(價帶和導帶相較于一點的半金屬),具有空穴和電子兩種形式的載流子。雙層石墨烯又可分為對稱雙層和不對稱雙層石墨烯,前者的價帶和導帶微接觸,并沒有改變其零帶隙結(jié)構(gòu);而對于后者,其兩片石墨烯之間會產(chǎn)生明顯的帶隙,但是通過設(shè)計雙柵結(jié)構(gòu),能使其晶體管呈示出明顯的關(guān)態(tài)。

  單層石墨烯(Graphene):指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。

  雙層石墨烯(Bilayer or double-layer graphene):指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛,AA堆垛,AA‘堆垛等)堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

  少層石墨烯(Few-layer or multi-layer graphene):指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛,ABA堆垛等)堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

  石墨烯(Graphenes):是一種二維碳材料,是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱。

  由于二維晶體在熱力學上的不穩(wěn)定性,所以不管是以自由狀態(tài)存在或是沉積在基底上的石墨烯都不是完全平整,而是在表面存在本征的微觀尺度的褶皺,蒙特卡洛模擬和透射電子顯微鏡都證明了這一點。這種微觀褶皺在橫向上的尺度在 8~10nm 范圍內(nèi),縱向尺度大概為 0.7~1.0nm。這種三維的變化可引起靜電的產(chǎn)生,所以使石墨單層容易聚集。同時,褶皺大小不同,石墨烯所表現(xiàn)出來的電學及光學性質(zhì)也不同。

  

  圖1.3 單層石墨烯的典型構(gòu)象

  除了表面褶皺之外,在實際中石墨烯也不是完美存在的,而是會有各種形式的缺陷,包括形貌上的缺陷(如五元環(huán),七元環(huán)等)、空洞、邊緣、裂紋、雜原子等。這些缺陷會影響石墨烯的本征性能,如電學性能、力學性能等。但是通過一些人為的方法,如高能射線照射,化學處理等引入缺陷,卻能有意的改變石墨烯的本征性能,從而制備出不同性能要求的石墨烯器件。

  2.石墨烯的性質(zhì)

  2.1 力學特性

  在石墨烯二維平面內(nèi)每一個碳原子都以σ鍵同相鄰的三個碳原子相連相鄰兩個鍵之間的夾角120°,鍵長約為0.142nm,這些C-C鍵使石墨烯具有良好的結(jié)構(gòu)剛性,石墨烯是世界上已知的最牢固的材料其本征(斷裂)強度可達130GPa,是鋼的 100多倍楊氏(拉伸)模量為1100GPa。如此高強輕質(zhì)的薄膜材料有望用于航空航天等眾多領(lǐng)域。

  2.2 電學特性

  石墨烯的每個晶格內(nèi)有三個σ鍵,所有碳原子的p軌道均與sp2雜化平面垂直,且以肩并肩的方式形成一個離域π鍵,其貫穿整個石墨烯。π電子在平面內(nèi)可以自由移動使石墨烯具有良好的導電性石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)使其具有室溫半整數(shù)量子霍爾效應,雙極性電場效應,超導電性,高載流子率等優(yōu)異的電學性質(zhì),其載流子率在室溫下可達到 1.5×10-1.S6m/s,是光速的1/300)越過禁帶進入能量較高的空帶,空帶中存在電子后成為導帶,價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位,成為空穴。導帶中的電子和價帶中的空穴合稱為電子-空穴對,則電子,空穴能自由移動成為自由載流子。它們在外電場作用下產(chǎn)生定向運動形成宏觀電流,分別成為電子導電和空穴導電。

  石墨烯的每一單位晶格有2 個碳原子導致其在每個布里淵區(qū)有兩個等價錐形相交點(K和K′)點,再相交點附近其能量于波矢量成線性關(guān)系。因此,使得石墨烯中的電子和空穴的有效質(zhì)量均為零,所有電子,空穴被稱為狄拉克費米子。相交點為狄拉克點,在其附近能量為零,古石墨烯的帶隙(禁帶)為零。石墨烯獨特的載流子特性和無質(zhì)量的狄拉克費米子屬性使其能夠在室溫下觀測到霍爾效應和異常的半整數(shù)量子霍爾效應(當電流垂直于外磁場通過導體時,在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面會出現(xiàn)電勢差)。表明了其獨特的載流子特性和優(yōu)良的電學性質(zhì)。

  石墨烯的室溫載流子遷移率實測值達15000cm2/V·s(電子密度100e4h-5Ω1+0.5π2≈1-eεhc=0α0137,e是光子的電荷、C為光速αα8~104 cm2/Vs)使其在場效應晶體管領(lǐng)域具有十分廣闊的前景。不過由于石墨烯是零帶隙結(jié)構(gòu),無法實現(xiàn)器件的關(guān)態(tài),因而開關(guān)比很低,這在一定程度上阻礙了石墨烯的應用。

  3. 石墨烯應用之生物傳感

  

  圖 3.1 是石墨烯生物傳感器的結(jié)構(gòu)圖。

  石墨烯生物傳感器采用了場效應管(FET)的構(gòu)造,厚度為 25 μm 鎳箔垂直安裝在器件頂部作為柵電極(Gate);石墨烯直接生長在石英基片的表面作為導電溝道,1 mm 厚的導電銀漆(PELCO)涂覆在石墨烯的兩側(cè)分別作為源電極(Source)和漏電極(Drain),并與測試的外電路相連。器件的測量室尺寸為 1.0 cm×1.0 cm×0.2 cm。

  當固定于敏感微柵表面上的生物探針在與目標物發(fā)生相互作用后,會引起 FET 源極(Source)和漏極(Drain)之間電位和電荷密度等參數(shù)信號變化。因此可以實現(xiàn)對待測物的分析檢測。由于石墨烯的能級大小可以通過修飾和改性來調(diào)控,它被認為是一種理想的 FET 原件。

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GAF超寬帶天線覆蓋3.7 GHz至67 GHz的頻率范圍,帶寬(BW)為63.3 GHz,比銅箔天....
發(fā)表于 2023-08-17 09:33? 217次閱讀
石墨烯在5G無線通信中應用分析

開創(chuàng)性新方法!用于高性能石墨烯電子產(chǎn)品!

該研究首次應用紫外光輔助原子層沉積(UV-ALD)技術(shù)于石墨烯表面,并展示了利用UV-ALD沉積Al....
發(fā)表于 2023-08-16 15:52? 165次閱讀
開創(chuàng)性新方法!用于高性能石墨烯電子產(chǎn)品!

石墨烯堆疊的2D系統(tǒng)的外部極限

近年來,通過將兩片稍微歪斜的石墨烯堆疊在一起,產(chǎn)生了非凡的物理現(xiàn)象,包括可調(diào)超導性、量子記憶,以及涉....
發(fā)表于 2023-08-16 10:51? 199次閱讀
石墨烯堆疊的2D系統(tǒng)的外部極限

石墨烯在柔性傳感器領(lǐng)域的應用有哪些

傳感器分為柔性傳感器和非柔性傳感器,非柔性傳感器應用很廣泛,但是存在很多弊端和局限性,這類傳感器的主....
發(fā)表于 2023-08-16 09:56? 158次閱讀
石墨烯在柔性傳感器領(lǐng)域的應用有哪些

石墨烯是什么材料有什么功能

他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片,然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上,撕開膠帶,就能把石墨片一分....
發(fā)表于 2023-08-16 09:40? 409次閱讀
石墨烯是什么材料有什么功能

高導熱石墨烯膜提升電子產(chǎn)品散熱性能

引言:石墨烯(Graphene)是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材....
發(fā)表于 2023-08-15 10:27? 214次閱讀
高導熱石墨烯膜提升電子產(chǎn)品散熱性能

Nature Materials:單層石墨烯一維...

目前絕大多數(shù)研究采用機械剝離和逐層轉(zhuǎn)移的物理方法對轉(zhuǎn)角石墨烯樣品進行制備,然而,該方法存在條件苛刻、....
發(fā)表于 2023-08-14 11:37? 203次閱讀
Nature Materials:單層石墨烯一維...

石墨烯負載金屬氧化物催化劑的制備方法

石墨烯作為一種特殊的二維材料,具有高導電性、 高比表面積以及優(yōu)異的化學和機械穩(wěn)定性,金屬氧化物納米顆....
發(fā)表于 2023-08-11 10:45? 82次閱讀
石墨烯負載金屬氧化物催化劑的制備方法

石墨烯晶體管:未來電子產(chǎn)業(yè)的革命性之星

在近年來,隨著科技和物理學界的飛速發(fā)展,石墨烯成為了一個熱門話題。它的出現(xiàn)為各種現(xiàn)代電子設(shè)備和技術(shù)帶....
發(fā)表于 2023-08-11 10:25? 723次閱讀
石墨烯晶體管:未來電子產(chǎn)業(yè)的革命性之星

石墨烯改性導熱復合材料研究進展

隨著集成技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,功率元器件的功率密度不斷增長,而電子元器件及設(shè)備逐漸趨向于集成化和小....
發(fā)表于 2023-08-09 16:05? 198次閱讀
石墨烯改性導熱復合材料研究進展

石墨烯氣體傳感器的發(fā)展及技術(shù)類型有哪些

大多數(shù)基于石墨烯的氣體傳感器具有薄的層結(jié)構(gòu)。一個單獨的原始或CVD石墨烯片可以被轉(zhuǎn)移到一個剛性或柔性....
發(fā)表于 2023-08-09 10:10? 140次閱讀
石墨烯氣體傳感器的發(fā)展及技術(shù)類型有哪些

石墨烯/聚酰亞胺復合材料的制備方法

將石墨烯填充到聚酰亞胺材料中制備復合材料,能較大程度地提升聚酰亞胺復合材料的力學性能、熱力學性能以及....
發(fā)表于 2023-08-08 12:27? 203次閱讀
石墨烯/聚酰亞胺復合材料的制備方法

石墨烯增強——未來的材料

瑞典的GraphMaTech公司旨在減少對銅的需求,用石墨烯取代部分銅。與單獨的銅相比,銅-石墨烯復....
發(fā)表于 2023-08-07 15:17? 414次閱讀
石墨烯增強——未來的材料

室溫超導到底是什么意思 超導材料還有哪些種類

超導若能實現(xiàn)工程應用,意味著人類能源儲存和傳輸效率產(chǎn)生顛覆性改變;而超導材料的應用,也意味著在計算機....
發(fā)表于 2023-08-07 11:08? 468次閱讀
室溫超導到底是什么意思 超導材料還有哪些種類

南孚完成彎道超車 發(fā)布首款石墨烯紐扣電池

南孚公司近期推出了一款備受用戶青睞的石墨烯紐扣電池,具有強勁且持久的電力輸出。石墨烯作為一種珍貴材料....
發(fā)表于 2023-08-03 17:20? 808次閱讀
南孚完成彎道超車 發(fā)布首款石墨烯紐扣電池

利用離子散射引發(fā)的彩虹效應觀測石墨烯中的缺陷特征...

雖然還有其他研究石墨烯瑕疵的方法,但這些方法都有缺點。例如,拉曼光譜無法區(qū)分某些缺陷類型,而高分辨率....
發(fā)表于 2023-08-03 15:10? 254次閱讀
利用離子散射引發(fā)的彩虹效應觀測石墨烯中的缺陷特征...

新技術(shù)#石墨嵌入緩和 PCB 熱量

Teledyne Labtech 將合成石墨薄層嵌入射頻和微波 PCB 的方法可以有效地將熱量從有源器件中傳導出去。據(jù)該公司稱,...
發(fā)表于 2022-04-01 16:01? 9555次閱讀
新技術(shù)#石墨嵌入緩和 PCB 熱量

如何去實現(xiàn)一種石墨烯CMOS技術(shù)?

什么是硅基CMOS技術(shù)? 如何去實現(xiàn)一種石墨烯CMOS技術(shù)? ...
發(fā)表于 2021-06-17 07:05? 2743次閱讀
如何去實現(xiàn)一種石墨烯CMOS技術(shù)?

如何用石墨烯電導率變化實現(xiàn)太赫茲調(diào)制

用石墨烯電導率變化實現(xiàn)太赫茲調(diào)制
發(fā)表于 2020-12-31 06:05? 2114次閱讀
如何用石墨烯電導率變化實現(xiàn)太赫茲調(diào)制

VC液冷+石墨烯膜的散熱技術(shù)解析

  近年來,隨著手機游戲的興起,智能手機作為游戲機的功能也越來越突出,因此在智能手機領(lǐng)域中出現(xiàn)了游戲手機的新品...
發(fā)表于 2020-12-18 07:34? 10074次閱讀
VC液冷+石墨烯膜的散熱技術(shù)解析

基于石墨烯的通信領(lǐng)域應用

一、引言 2010年,諾貝爾物理學被兩位英國物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖諾夫奪得,他們因制備出了石墨烯而...
發(fā)表于 2019-07-29 07:48? 3827次閱讀
基于石墨烯的通信領(lǐng)域應用

半導體材料那些事

好像***最近去英國還專程看了華為英國公司的石墨烯研究,搞得國內(nèi)好多石墨烯材料的股票大漲,連石墨烯內(nèi)褲都跟著炒作...
發(fā)表于 2019-07-29 06:40? 5581次閱讀
半導體材料那些事

關(guān)于石墨烯的全面介紹

碳原子呈六角形網(wǎng)狀鍵合的材料“石墨烯”具有很多出色的電特性、熱特性以及機械特性。具體來說,具有在室溫下也高達20...
發(fā)表于 2019-07-29 06:27? 7039次閱讀
關(guān)于石墨烯的全面介紹

石墨烯的基本特性和制備方法

1 引言 人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的,石墨的層間作用力較弱,很容易互相剝離...
發(fā)表于 2019-07-29 06:24? 3385次閱讀
石墨烯的基本特性和制備方法

場效應管概念

場效應管(FET)是一種具有pn結(jié)的正向受控作用的有源器件,它是利用電場效應來控制輸出電流的大小,其輸入端pn一般工...
發(fā)表于 2019-07-29 06:01? 3673次閱讀
場效應管概念

石墨烯在太陽能電池板的應用

傳統(tǒng)的太陽能電池板面臨著一些問題,比如光污染。太陽能電站的電池板反射的光線能對飛過的鳥類造成傷害,對此像特斯拉...
發(fā)表于 2019-07-16 08:28? 2629次閱讀
石墨烯在太陽能電池板的應用
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