石墨烯研究现状.doc

现代半导体物理石墨烯的制备、性质及其研究进展 摘要：石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料，它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质。有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一。本文仅就目前石墨烯的制备方法、物理性质以及其部分应用作一综述，重点阐述石墨烯的制备方法，并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望。 关键词：石墨烯 石墨烯制备 石墨烯应用 近20年来，碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域，1985年发现的富勒烯和1991年发现的碳纳米管(CNTs)均引起了巨大的反响，兴起了研究热潮。2004年，Manchester大学的Geim小组首次用机械剥离法获得了单层或薄层的新型二维原子晶体——石墨烯。石墨烯的发现，充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。石墨烯是由sp2杂化的碳原子连接的单原子层构成的，其基本结构单元为苯分子的碳六元环。其理论厚度仅为0.35 nm，是目前所发现的最薄的二维材料。石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零维的富勒烯， 卷曲形成一维的CNTs或者堆垛成三维的石墨。这种特殊结构蕴含了丰富而奇特的物理现象，使石墨烯表现出许多优异的物理化学性质，如石墨烯的强度是已测试材料中最高的，达130 GPa，是钢的100多倍；其载流子迁移率达1.5×104 cm2?V-1?S-1，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍，超过商用硅片迁移率的l0倍，在特定条件下(如低温骤冷等)，其迁移率甚至可高达2.5×105 cm2?V-1?S-1；石墨烯的热导率可达5×103 W?m-1?K-1，是金刚石的3倍；另外，石墨烯还具有室温量子霍尔效应(Hall effect)及室温铁磁性等特殊性质。 本文根据现有的文献报道对石墨烯的制备方法、性质以及其部分应用作一综述。 石墨烯的基本结构单元 石墨烯中碳原子成键方式与以及排列方式与石墨材料相同，因此石墨烯就是由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体。碳原子4个价电子中的3个参与形成σ键，而最后一个电子位于pz轨道， pz轨道之间的相互重叠形成了在整个晶体范围内离域的π键。 这些很强的σ键使石墨烯成为已知最为牢固的材料之一： 单层石墨烯的厚度只有0.335 nm，仅为头发丝直径的1/200000。理论上，如果能够制作出厚度100 nm的石墨烯，那么要施加约200 k N的力才能够将其扯断。由于此时π键为半填满状态，所以电子可在二维晶体内自由移动，这使得石墨烯具有良好的导电性和其他独特的电学性质。 2. 石墨烯的制备 通常认为， 严格意义上的二维晶体在热力学上是不稳定的， 也就不可能在自然界中存在， Mermin—Wanger理论也声称不可能存在长程有序的二维晶体。在一般自由状态下，石墨烯片会卷曲成为富勒烯、碳纳米管或堆叠成为体块石墨，如图1所示。 实际上薄膜熔点将随其厚度的减小而急剧降低， 当薄膜只有几十个原子层厚时， 将变得极不稳定， 发生分解或聚集在一起。因此，长期以来通常认为单原子层只能外延在晶格匹配的单晶衬底之上。 2004年， 英国Manchester大学Geim教授所领导的研究小组利用机械剥离法，获得单层和2～3层石墨烯二维晶体，并测试了石墨烯的电学性质与场效应。目前研究者利用多种方法开展了石墨烯的制备工作， 主要包括化学剥离法、 S i表面石墨化法和金属表面外延法等。 2.1 机械剥离法 Manchester大学Geim领导的研究组2004年在Science上报道了他们用机械剥离法(mechanical exfoliation)制备得到了最大宽度可达10μm的石墨烯片。其方法主要是用氧等离子束在高取向热解石墨(HOPG)表面刻蚀出宽20μm-2mm、深5μm的槽面，并将其压制在附有光致抗蚀剂的SiO2/Si基底上，焙烧后，用透明胶带反复剥离出多余的石墨片，剩余在Si晶片上的石墨薄片浸泡于丙酮中，并在大量的水与丙醇中超声清洗，去除大多数的较厚片层后得到厚度小于10 nm的片层，这些薄的片层主要依靠范德华力或毛细作用力(capillary forces)与SiO2紧密结合，最后在原子力显微镜下挑选出厚度仅有几个单原子层厚的石墨烯片层。此方法可以得到宽度达微米尺寸的石墨烯片，但不易得到独立的单原子层厚的石墨烯片，产率也很低。 随后，这一方法得到了进一步研究并成为制备石墨烯的重要方法之一，Novoselov等 用这种方法制备出了单层石墨烯，并验证了其能够独立存在；随后Meyer等将机械剥离法制备的含有单层石墨烯的Si晶片放置于一个经过刻蚀的金属架上，用酸将Si晶片腐蚀掉，成功制备了由金属支架支撑的悬空的单层石墨烯。 他们研究后发现单层石墨烯并不是一个平整的平面