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浅谈石墨烯在电子器件中的应用论文

浅谈石墨烯在电子器件中的应用论文自2004年被发现以来，石墨烯备受关注。石墨烯仅有一个碳原子般大小，却有着奇特的电学、光学和力学性能，例如高的载流子迁移率、良好的透光性、机械性能，等等。这些优异的特性使得石墨烯可用于制作各种微电子器件，有着很大的应用前景，有可能代替硅，作为制作下一代半导体器件的主要材料。主要从石墨烯的特性，以及在光电探测器、超级电容器、触摸屏等几个方面的应用进行综述。1石墨烯的结构和特性石墨烯指的是单层的石墨薄片，其厚度仅有一个碳原子大小(0.34nm)，约为头发丝的二十万分之一。石墨烯片层中每个碳原子以sp2杂化的方式与周围碳原子形成正六边形碳环结构，每个原胞中有两个不等价的碳原子A和B，如图1所示。A-B键为sp2杂化形成的碳碳键，键长为0.142nm，在平面内，称之为σ键。此外，在平面外方向，PZ原子的轨道相互交叠，形成离域的大π键。π电子可以移动，使得石墨烯具有导电性。σ键的键能很大，不容易断裂，使得石墨烯具有很强的韧性。A，B原子不等价，不同的堆叠方式，使石墨烯具有了不同的电子特性。石墨烯的能带结构中价带和导带成圆锥形，重合于狄拉克点，因而石墨烯是没有带隙的，如图2所示，不需脉冲激发，价带顶部的电子就会跃迁到导带底部。石墨烯中的电子在传输过程中显示半整数的量子霍尔效应和相对论粒子特性，利用这一特性可以人为地控制石墨烯带隙大小。石墨烯的能带结构不同于半导体的抛物线型能带结构，在狄拉克点附近，电子色散关系如下：石墨烯的色散关系是线性的。正因如此，石墨烯中的电子也常被认为是没有质量的狄拉克费米子，用狄拉克方程来描述其电子的行为。石墨烯中电子的独特的狄拉克费米子行为，使得石墨烯不同于其他的半导体材料，有着特异的结构和性质。1.1良好的透光性石墨烯具有优异的光学性能。理论上通过菲涅尔公式推导了自由悬浮单层石墨烯的光强透过率：在可见光范围内，石墨烯的透射率为97.7%，而反射率很小，小于0.1%，那么，可知石墨烯的吸收率A≈1-T%≈2.3%，与入射光的波长无关。实验上也得到了与理论一致的结论。1.2良好的机械性能和热学性能理论计算表明，石墨烯的抗拉强度和杨氏模量高达130GPa和1TPa，是现有材料中强度和硬度最大的，而一般的钢材料，它们的抗拉强度一般在250～1200MPa之间。很显然，石墨烯的最大抗拉强度要远大于普通的钢材料。这一特性使石墨烯可作为一种特殊的增强相，应用于复合材料。此外，室温下石墨烯具有很高的热导率，可达5000W/mK，比金刚石和碳纳米管的热导率还要高。1.3较高比表面积比表面积指的是固体物质所具有的表面积与质量的比值，包含内表面积和外表面积。石墨烯是当前最薄的材料，其厚度仅有一个碳原子大小。通过计算可知，其比表面积可达2630m2/g。较大的比表面积可增大石墨烯与其他物质的接触面积，例如将气体分子更多的吸附在石墨烯的表面，使得石墨烯局部的电子浓度发生改变，进而改变石墨烯的特性。利用这一性质，可将石墨烯用于制作气体传感器。2石墨烯的应用在当今信息数字化的时代，光电子学器件如显示屏，触控面板，发光二极管等要求材料具有较低的面电阻Rs和较高的透射率T。当前使用的半导体材料，如掺杂的氧化铟(In2O3)、ZnO或者它们的化合物以及使用最多的铟和锡的氧化物(ITO)。ITO的电学和光学性质受杂质的影响较大，当激发能量高于4ev时，出现较强的带间吸收过程，其光强透射率T≈80%(波长在500nm的条件下)。在玻璃衬底上时，其面电阻低于10Ω;以聚乙烯对苯二酸盐为衬底时，其面电阻在60～300Ω之间。但ITO材料存在一些不足和缺陷：①铟的产量少，从而导致ITO的生产成本比较高;②对周围环境和酸性物质比较敏感，化学性质不稳定;③易碎，因而不能用于需要弯曲的电子设备中。而石墨烯的出现解决了ITO存在的问题，给电子器件的新发展带来了希望。石墨烯在较宽的`波长范围内有很高的透射率T=97.7%，高于ITO。石墨烯的面电阻通过生长的控制也可以达到同ITO材料一样小。很显然，石墨烯比ITO材料具有更优异的特性，更适合用于制作电子器件。上述内容上对石墨烯和常用半导体材料的特性的比较。我们可以发现，石墨烯具有更多优异的性质，石墨烯在电子器件的制作方面具有广阔的应用前景。下面，我们列举一些由石墨烯制作成的电子器件的实例。2.1光电探测器光电探测器是通过吸收入射光子能量，将价带中的电子激发到导带，从而改变材料的电学性能，测量光功率和光子数的器件。在远程控制，电视、DVD播放器中都有用到。一般的半导体材料对入射光子能量的吸收受带隙大小的影响——当光子能量小于带隙时是不能吸收的。例如，IV族、III-V族半导体在长波范围，由于光子能量小于带隙，因而这些材料对长波不能吸收，可看成透明。而石