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石墨烯之电子能带特性与其元件应用
石墨烯之電子能帶特性與其元件應用 物理專文
石墨烯之電子能帶特性與其元件應用
撰文 林永昌、呂俊頡、鄭碩方、邱博文
石墨烯為單一碳原子層所組成之二維平面蜂巢狀石墨,各碳原子之間的 sp2 共價
鍵不僅造就了強韌的機械性質 ( 斷裂強度約為鋼的 200 倍 ) 之外,天然的二維 π
電子氣傳導系統與特殊的線性能帶結構,使得於其中傳導之載子表現為零質量之
迪拉克費米子,同時具備有極優異的載子傳導特性,可承載 108 A/cm2 的電流
密度,以及高達 200,000 cm2/Vs 的載子漂移率。石墨烯的發現不僅提供了一個
絕佳的二維傳輸系統,蘊含著豐富有趣的物理現象之外,在電子光電產業的應用
上,更是眾所矚目的材料。於此,本文將介紹石墨烯在電子元件之基本應用,透
過閘極調變、物理吸附或化學鍵結的方式,探討摻雜後石墨烯之電子特性。
前言: 常穩定 ,除吸附於基板上之外 ,亦可以被懸空後穩
定存在 ,推翻了之前熱力學原理的預測 。而石墨烯
單層石墨 ,又稱為石墨烯 (Graphene) ,它的名稱
2 的發現 ,隨即震撼了整個科學界 。將石墨烯沿著某
來自於石墨 (graphite) + 烯類 (ene) ,碳原子以sp 平
一方向捲曲後 ,即可得到一維管狀的結構 ,也就是
面鍵結形成六角蜂窩狀二維結構 ,在垂直方向週期
先前所發現的奈米碳管 (carbon nanotubes) 。石墨烯
性堆疊後形成平日常見之石墨 。因此石墨烯可視為
沿襲著奈米碳管傑出的機械性質與電子特性 ,並受
三維石墨之單體 ,其中每一個原子都暴露於表面 。
到學術界與工業界大量且快速的研究 ,此獨特的二
早在60 年前 ,部分科學家們就已經意識到單層石
維材料不僅蘊含著豐富的物理 ,更在電子元件的應
墨是可能可以穩定存在的 ,並藉由其幾何與能帶結
用上極具潛力 ,本文將介紹其基本結構與電子特性 ,
構來描述各種已知碳材料的特性 。然而大多數的物
進而探討其應用與發展 。
理與材料學家認為 ,依據熱力學的增熵原理 ,任何
的二維結構僅能存在於絕對零度 ,在有限溫度下是
石墨烯之能帶結構:
不允許任何二維晶體存在的 ,因此 ,石墨烯只被認
2
石墨烯是由碳原子以 混成所構成之週期性六
為是一個理論上存在的模型 。直到2004 年 ,英國 sp
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