新型碳材料——石墨烯的研究进展.doc

新型碳材料——石墨烯的研究进展／代 波等 新型碳材料——石墨烯的研究进展‘ 代波，邵晓萍，马拥军，裴重华 （西南科技大学材料科学与工程学院，绵阳６２１０１０）  ? １７  摘要 发现石墨烯至今仅５年，但其已迅速成为目前材料科学和凝聚态物理研究的一个熬点，这归因于它是 严格的二维结构，蕴涵着许多新的物理以及潜在应用。简要介绍了石墨烯的概念，重点评述了其制备方法以及电子 结构、力学特征等基本物理特性，讨论了石墨烯器件的研发现状，并展望了其未来发展前景以及其它的潜在应用。 关键词 石墨烯电子性质制备方法 中图分类号：（）４６９；０４８４ Ａ Ｎｅｗ Ｃａｒｂｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌ—Ｇｒａｐｈｅｎｅ ＤＡＩ Ｂｏ，ＳＨＡＯ Ｘｉａｏｐｉｎｇ，ＭＡ Ｙｏｎｇｊ ｕｎ，ＰＥＩ Ｃｈｏｎｇｈｕａ （ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１０１０） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｅｓｐｉｔｅ ｉｔｓ ｏｎｌｙ ｆｉｖｅ－ｙｅａｒ ｈｉｓｔｏｒｙ，ｇｒａｐｈｅｎｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｔｔｒａｃｔｉｎｇ ｍｕｃｈ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎ ｏｆ ｒｎａ— ｔｅｒｉａｌｓ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ－ｍａｔｔｅｒ ｐｈｙｓｉｃｓ．Ｔｈｉｓ ｓｔｒｉｃｔｌｙ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｈａｓ ａｌｒｅａｄｙ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｌｏｔｓ ｏｆ ｎｅｗ ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉｔｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｂｒｉｅｆｌｙ ｅｘａｍｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ ｅｌａｓｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｍａｄｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｂａｓｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ， ａ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｏｕｔｌｏｏｋ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｉｔｓ ｆａｎｔａｓｔｉｃ ｆｕｔｕｒｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｇ＇ｄｓ ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ 是二维的，只包括六角元胞（等角六边形）；如果有五角元胞 ０ 引言 和七角元胞存在，它们将构成石墨烯的缺陷。控制五角元胞 在过去几十年里，电子学领域的巨大进步已在计算机、 通讯、自动化以及其它应用方面深刻地影响着我们每个人的 生活。在很大程度上，这种进步源于现代微］Ｊｎ－ｒ技术使得器 件尺寸不断缩小，从而能制造出集成度更高、速度更快的电 子电路。但是，利用尺寸不断减小的硅基半导体材料来延长 摩尔定律的发展道路已逐渐接近终点。硅材料的加工极限 一般认为是１０ｎｍ线宽，受物理原理的制约，小于ｌＯｎｍ后不 太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品。因此，开发新 的电子材料器件是目前前沿领域的研究热点。其中一种途 径是抛弃传统的电荷输运的电子器件，发展新的如自旋输运 的电子器件。另外一种途径就是保留现有器件的工作方式， 但对器件关键部分的材料进行革新，石墨烯正是晶体管中导 电通道最理想的材料，因为电子在石墨烯中能以光速进行移 动，电子可不被散射而进行传输，用其制备的晶体管尺寸更 小、速度更快，能耗更低。 １石墨烯的概念 石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）是英国曼彻斯特大学Ｇｅｉｍ课题组于 ２００４年发现的单原子层石墨晶体薄膜，是由ｓｐ２杂化的碳 原子构成的二维蜂窝状物质，是构建其它维数碳材料的基本 单元（见图１）‘２１，其Ｃ－Ｃ键长约为０．１４２ｎｍ。完美的石墨烯 和七角元胞的数量就可以形成各种不同形状的碳材料，如含 有１２个五角原胞的石墨烯可以形成零维的富勒烯。图２为 实验制备的石墨烯薄片的光学显微照片和拉曼谱图（样品为 ｇｒａｐｈｅｎｅ／Ｓｉ０２（２８５啪）／Ｓｉ ｗａｆｅｒ）Ｌ４Ｊ。在发现石墨烯以前， 大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有 限温度下存在。Ｇｅｉｍ等发现石墨烯纯粹是偶然，他们最初 的动机只是想研究薄膜石墨的电性，纳米级别微观扭曲是二 维晶体能够稳定存在的一个非常重要的因素［３］。 基 图ｌ石墨烯构建各种碳材料的示意图 Ｆｉｇ，ｌ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｔａｃｋｅｄ ｂｙ ｇｒａｐｈｅｎｅ  ＊国家自然科学基金（１０７０４