石墨烯信息材料.docx

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石墨烯信息材料

摘要

石墨烯出现于2004年，在石墨烯出现以后短时间内由于石墨烯具有很高的强度，很好的导电性，所以在智能材料和信息材料领域取得十分迅速的发展，根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。

根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。

石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。

另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂，本文通过介绍石墨烯及其一些特性，举例说明了石墨烯在半导体行业例如晶体管、调制解调器、液晶显示以及太阳能电池方面的应用，由于石墨烯优良的特性和在实际中广泛的应用，石墨烯被誉为本世纪最神奇的材料，很多人预言，石墨烯将带给人们一个崭新的“碳时代”。

Abstract

Grapheneappearedin2004,afterGrapheneappearinginshorttime,becauseGraphenehasveryhighstrength,goodelectricalconductivity,soinintelligentmaterialsandinformationmaterialfieldisobtainedtherapiddevelopment,accordingtotheGrapheneofultra-thin,strengththecharacteristicsoflargeGraphenecanbewidelyusedineveryfield,suchasthelightbodyarmor,ultra-thinsuperlightplanematerial,etc.Accordingtoitsexcellentelectricalconductivity,italsohasgreatpotentialapplicationinmicroelectronicsfield.Graphenemaybecomesiliconalternative,themanufacturingsupertinytransistor,usedtoproducefuturesupercomputer,carbonelementoftheelectronictransferratehighercanmakethefutureofcomputerhigherspeed.AnotherGraphenematerialsoragoodmodifier,inthenewenergyfieldssuchassupercapacitor,lithiumionbatteries,becauseofitshighconductivity,highsurfacearea,itcanbeappliedtoaselectrodematerialadditives,thispaper,throughtheintroductionoftheGrapheneandsomecharacteristics,suchastransistorsinthesemiconductorindustry,modem,LCDdisplay,andtheapplicationofsolarcells,duetothecharacteristicsofgoodGrapheneandinpracticeawiderangeofapplications,Grapheneisknownasthemostwonderfulmaterial,andmanypeoplepredicted,Graphenewillbringpeopleanew"carbonera".

目录

摘要I

AbstractII

一、石墨稀和石墨稀的性质2

1.1电子运输2

1.2导电性3

1.3机械特性3

1.4电子的相互作用4

1.5化学性质4

二、石墨稀在各个信息行业中的应用。

5

2.1石墨稀在晶体管和光调制解调器中的应用5

2.2石墨稀在显示和太阳能电池方面的应用6

三、总结9

石墨烯以及其在信息科技领域的应用

一、石墨稀和石墨稀的性质

石墨烯是由碳六元环组成的两维（2D）周期蜂窝状点阵结构,它可以翘曲成零维（0D）的富勒烯（fullerene）,卷成一维（1D）的碳纳米管（carbonnano-tube,CNT）或者堆垛成三维（3D）的石墨（graphite）,因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。

石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环,是目前最理想的二维纳米材料.。

石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。

他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。

不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯，石墨稀具有很多优良特性。

1.1电子运输

　　在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）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。

所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。

虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。

这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。

　　石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。

其霍尔电导为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。

这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。

1.2导电性

　　石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。

石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。

这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。

石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。

由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

　　石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”（electricchargecarrier），的性质和相对论性的中微子非常相似。

　　石墨烯有相当的不透明度：

可以吸收大约2.3%的可见光。

而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

1.3机械特性

　　石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。

哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。

在试验过程中，他们选取了一些直径在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。

研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。

之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。

　　研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。

据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。

如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。

换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。

1.4电子的相互作用

　　利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：

石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。

　　科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源（ALS）”电子同步加速器。

这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。

科学家利用这一强光源观测发现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。

1.5化学性质

　　我们至今关于石墨烯化学知道的是：

类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。

从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。

石墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍：

缺乏适用于传统化学方法的样品。

这一点未得到解决，研究石墨烯化学将面临重重困难。

我们在此主要讲一下石墨稀作为一种新型材料在通信中的运用，美国加州大学华裔教授张翔，助理教授王枫和博士后研究员刘明组成的团队，共同研制出世界上最小的“石墨稀光学调制解调器”（调制解调器俗称猫）它还要细400倍，可实现高速传输信号，有望将网速提高1万倍。

石墨稀在施加不通电压后其中电子的能量（费米能级）会发生改变，。

而石墨稀是否吸收光线也决定于器费米能级，当施加足够的负电压时。

电子被吸出石墨稀并不再吸收光子，因此，当光子通过石墨稀时，石墨稀完全透明，可以“打开”光线，而当施加某种正电压时，电子紧密包裹在一起，同样无法吸收光子，但是当电压在某个临界点时，电子可以阻挡光子通过，从而“关闭”光线。

于是石墨稀便有了关闭和打开光路的功能,所以可以充当调制解调:

除了在通信方面的应用，石墨稀还将在显示面板和太阳能电池方面有很大的市场前景，因具有很高的载流特性、透光性，所以石墨稀在透明显示以及太阳能电池方面已经引起了很大的研究热潮。

二、石墨稀在各个信息行业中的应用。

2.1石墨稀在晶体管和光调制解调器中的应用

石墨稀晶体管制作方法是首先在单层石墨膜上用电子束刻出沟道。

然后在所余下的被称为“岛”的中心部分封入电子，形成量子点。

石墨烯晶体管栅极部分的结构为10多纳米的量子点夹着几纳米的绝缘介质。

这种量子点往往被称为“电荷岛”。

由于施加电压后会改变该量子点的导电性，这样一来量子点如同于标准的场效应晶体管一样，可记忆晶体管的逻辑状态。

在石墨稀晶体管这个概念出现以后，它的发展速度十分迅速，三星、IBM登公司都在石墨烯晶体管研究上投入了很大人力物力，令人高兴的是这些投入也得到了回报美国IBM与韩国三星尖端技术研究所（SAIT）分别在2010年12月举行的半导体制造技术相关国际会议“2010IEEEInternationalElectronDevicesMeeting（IEDM2010）”上发布了通道层使用石墨烯的高速动作型RF电路用FET（电场效应晶体管）。

IBM的石墨烯FET的最大截止频率高达240GHz。

另外，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）已于2010年9月发布截止频率达到300GHz的石墨烯FET。

石墨烯晶体管

研究发现施加不同电压，石墨烯中电子的能量（费米能级）会改变，而石墨烯是否吸收光线也会决定其费米能级。

当施加充足的负电压时，电子被吸出石墨烯并不再能吸收光子，因此，当光子通过石墨烯时，石墨烯完全透明，光被“打开”。

当施加某种正电压时，石墨烯也是透明的，但电子紧密地包裹在一起，使它们无法吸收光子，从而有效地“关闭”光线。

科学家在石墨烯上找到了一个最有效的位置来施加足够的电压，以此让该石墨烯调制器拥有了打开或关闭光线的能力与基于电学的组件相比，基于光学的组件有多种优势，包括能携带更密集的数据包更快地传输。

新调制器是全球最小的光调制器，仅为25平方微米，比一般为几平方毫米的普通商用调制器小很多，其能在现有最快速度10多倍的速度下操作，新技术有望显著提升超快光通讯和光计算的能力，未来，使用该石墨烯调制器，消费者只需几秒，就能将整部三维高清电影“搬”到智能手机上，　即使体形如此“纤细”，但石墨烯的频宽容量很大，石墨烯能吸收的光涵盖数千纳米，从紫外线到红外线都可。

科学家指出，这使石墨烯调制器能比现有最顶级调制器（其操作带宽为10纳米）携带的数据更多。

且用来制作调制器的石墨烯非常少，一支铅笔中的石墨提供的石墨烯足以制造出10亿个光调制器，所以此种石墨烯调制解调器将会成为现代通信的发展趋势。

石墨烯光调制解调器

2.2石墨稀在显示和太阳能电池方面的应用

透明导电膜这一用途备受期待的原因在于，石墨烯具备较高的载流子迁移率且厚度较薄。

一般来说，高透明性与高导电性是互为相反的性质。

从这一点来看，ITO正好处在透明性与导电性微妙的此消彼长（Trade-off）关系的边缘线上，这也是超越ITO的替代材料迟迟没有出现的原因。

但是石墨稀作为一种导电性非常好的单层碳原子，其透光性可以达到97%，而且石墨烯在理论上有望避开这种此消彼长的关系成为理想的透明导电膜。

其原因是，由于载流子迁移率非常高，即使载流子密度较低，导电性也不容易下降。

而载流子密度较低的话，会比较容易穿过更大波长范围的光。

相当于单个原子的超薄厚度同样有助于提高透明性。

不仅是可见光，石墨烯还可透过大部分红外线，这一性质目前已为人所知。

因此，对于还希望利用红外线来发电的太阳能电池而言，石墨烯有望成为划时代的透明导电膜。

与不适于弯曲的ITO相比，还具备柔性较高的优势。

不过，透明导电膜目前还存在很多问题。

由于制作大面积石墨烯时会混入很多杂质及缺陷，因此大多数试制品的导电性及透明性都未达到ITO的水平。

即便如此，石墨烯仍有望用来制作触摸面板所以在未来有可能会代替ITO等一些其他的透明电极，现在有一种有潜力的方法，即利用有机化合物（即含碳化合物）代替昂贵的高纯度硅板，所以既可以用来做显示器件也可以用来制作价廉的，质轻且柔性的太阳能电池。

但是这种有机太阳能电池的发展存在棘手的问题。

研究者为了寻找合适的导电电极材料付出艰辛的努力。

特别是能与有机太阳能电池匹配的柔性的、透明的、低成本的电极材料。

2010年6月，韩国三星与名城大学合作由石墨稀制作了30in（对角线约为76cm）的石墨稀片，并以此制作了柔性的透明电极，在此前石墨稀片的制备技术很难超过1cm左右，而制备长对角线的石墨稀片则是科学界的梦想，他们通过CVD在铜箔上沉积碳材料然后转印到大型树脂片上的方法制备了大面积的石墨稀片。

石墨烯是透明的，所以由它制作的电极可以适用在透明的有机太阳能电池，而且不会阻挡任何照射光。

此外，这种电极是柔性的，与有机太阳能电池一样，所以它能与建筑构成一体化，比如做成屋顶样式。

相反的，ITO玻璃是坚硬易碎的。

　　用石墨烯作有机太阳能电池电极，最大的问题是让材料附着在面板上。

石墨烯不溶于水，所以传统的在表面沉积镀膜电极是不可行的。

　　现在研究尝试各种方法改变电池表面性能或者使用其他溶液代替水溶剂在表面沉积蒸镀碳原子。

但是没有一种效果良好。

后来，麻省理工发现表面掺杂方法——在表面引入杂质，改变表面性质，使石墨烯紧密结合。

同时还惊喜地发现，该掺杂方法提高了材料的导电性。

虽然石墨烯电极性能特征与ITO电极不同，但总体而言其在太阳能电池中所起的功用则与ITO电极相似。

而以石墨烯为电极的太阳能电池具有柔性与质轻的特点，可以拓展更广泛的应用。

这是如今商业化硅板太阳能电池不能比拟的。

比如，由于它的透明特征，可直接应用于窗户而且不阻挡光线；还可以适用于不规则墙体、或者屋顶表面。

此外，它们可以堆积在其他太阳能板上面，增加在给定范围内的能量总量。

甚至，它们可以进行折叠或卷起，方便携带。

虽然使用石墨烯代替太阳能电池板的其中一个电极，但同时人们也在尝试应用在另一个电极。

斯坦福大学的电机工程助理教授PeterPeumans表示有机太阳能电池要变得更实用，只有伴随着透明电极的低成本化且比商业化金属氧化物更稳定，有机太阳能电池才能变得更实用。

同时表示，也对其他替代材料的可行性进行研究。

但是这项工作——用石墨烯作为可靠的透明电极替代材料。

在石墨稀作为透明电极研究的同时，在染敏太阳能电池染料吸附方面石墨稀也起了很大作用，有研究将石墨稀和多壁碳纳米管通过某种方式混合在一块后，使得石墨稀由原来的微溶于水变得比较容易溶于水，然后再将由石墨稀和碳纳米管、二氧化钛复合材料组成的电极作为太阳能电池阳电极，通过试验发现，用复合材料作为电极的太阳能电池在染料吸附、电子转移方面都优于由纯二氧化钛制备的阳电极：

而在光致发光，电极电阻方面都小于纯二氧化钛电极，所以综合起来由此复合材料制备的太阳能电池光电转化效率比纯二氧化钛制备的太阳能电池高出35%。

石墨烯碳复合材料构成的电池阳极

三、总结

石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二：

石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

石墨烯的应用范围广阔。

根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。

根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。

石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。

另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂，而且石墨烯的发展十分迅速，人们也在期待石墨烯的出现将从此开启一个“碳时代“。