1、淺談石墨烯在電子器件中的應(yīng)用論文自 2004 年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，石墨烯備受關(guān)注。石墨烯僅有一個(gè)碳原子般大小，卻有著奇特的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，例如高的載流子遷移率、良好的透光性、機(jī)械性能，等等。這些優(yōu)異的特性使得石墨烯可用于制作各種微電子器件，有著很大的應(yīng)用前景，有可能代替硅，作為制作下一代半導(dǎo)體器件的主要材料。主要從石墨烯的特性，以及在光電探測(cè)器、超級(jí)電容器、觸摸屏等幾個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述。1 石墨烯的結(jié)構(gòu)和特性石墨烯指的是單層的石墨薄片，其厚度僅有一個(gè)碳原子大小 (0.34 nm) ，約為頭發(fā)絲的二十萬(wàn)分之一。石墨烯片層中每個(gè)碳原子以 sp2 雜化的方式與周?chē)荚有纬烧呅翁辑h(huán)結(jié)構(gòu)，每個(gè)原

2、胞中有兩個(gè)不等價(jià)的碳原子 a 和 b，如圖 1 所示。 a-b 雜化形成的碳碳鍵，鍵長(zhǎng)為 0.142 nm ，在平面內(nèi)，稱(chēng)之為 sp2鍵為鍵。此外，在平面外方向，pz原子的軌道相互交疊，形成離域的大 鍵。 電子可以移動(dòng)，使得石墨烯具有導(dǎo)電性。鍵的鍵能很大，不容易斷裂，使得石墨烯具有很強(qiáng)的韌性。 a，b 原子不等價(jià)，不同的堆疊方式，使石墨烯具有了不同的電子特性。石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)中價(jià)帶和導(dǎo)帶成圓錐形，重合于狄拉克點(diǎn)，因而石墨烯是沒(méi)有帶隙的，如圖 2 所示，不需脈沖激發(fā)，價(jià)帶頂部的電子就會(huì)躍遷到導(dǎo)帶底部。石墨烯中的電子在傳輸過(guò)程中顯示半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)和相對(duì)論粒子特性，利用這一特性可以人為地控制石

3、墨烯帶隙大小。石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)不同于半導(dǎo)體的拋物線型能帶結(jié)構(gòu)，在狄拉克點(diǎn)附近，電子色散關(guān)系如下：石墨烯的色散關(guān)系是線性的。正因如此，石墨烯中的電子也常被認(rèn)為是沒(méi)有質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子，用狄拉克方程來(lái)描述其電子的行為。石墨烯中電子的獨(dú)特的狄拉克費(fèi)米子行為，使得石墨烯不同于其他的半導(dǎo)體材料，有著特異的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。1.1良好的透光性石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)性能。理論上通過(guò)菲涅爾公式推導(dǎo)了自由懸浮單層石墨烯的光強(qiáng)透過(guò)率：在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，石墨烯的透射率為 97.7%，而反射率很小，小于 0.1%，那么，可知石墨烯的吸收率 a1- t%2.3%，與入射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。實(shí)驗(yàn)上也得到了與理論一致的結(jié)論。1.2良好的機(jī)

4、械性能和熱學(xué)性能理論計(jì)算表明，石墨烯的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量高達(dá) 130 gpa和 1 tpa，是現(xiàn)有材料中強(qiáng)度和硬度最大的，而一般的鋼材料，它們的抗拉強(qiáng)度一般在 2501 200 mpa 之間。很顯然，石墨烯的最大抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于普通的鋼材料。這一特性使石墨烯可作為一種特殊的增強(qiáng)相，應(yīng)用于復(fù)合材料。此外，室溫下石墨烯具有很高的熱導(dǎo)率，可達(dá) 5 000 w/mk，比金剛石和碳納米管的熱導(dǎo)率還要高。1.3較高比表面積比表面積指的是固體物質(zhì)所具有的表面積與質(zhì)量的比值，包含內(nèi)表面積和外表面積。石墨烯是當(dāng)前最薄的材料，其厚度僅有一個(gè)碳原子大小。通過(guò)計(jì)算可知，其比表面積可達(dá) 2 630 m2/g 。較大的比

5、表面積可增大石墨烯與其他物質(zhì)的接觸面積，例如將氣體分子更多的吸附在石墨烯的表面，使得石墨烯局部的電子濃度發(fā)生改變，進(jìn)而改變石墨烯的特性。利用這一性質(zhì)，可將石墨烯用于制作氣體傳感器。2 石墨烯的應(yīng)用在當(dāng)今信息數(shù)字化的時(shí)代，光電子學(xué)器件如顯示屏，觸控面板，發(fā)光二極管等要求材料具有較低的面電阻rs 和較高的透射率 t。當(dāng)前使用的半導(dǎo)體材料，如摻雜的氧化銦(in2o3) 、zno或者它們的化合物以及使用最多的銦和錫的氧化物(ito) 。ito 的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)受雜質(zhì)的影響較大，當(dāng)激發(fā)能量高于4 ev 時(shí)，出現(xiàn)較強(qiáng)的帶間吸收過(guò)程，其光強(qiáng)透射率t80%(波長(zhǎng)在 500 nm 的條件下 ) 。在玻璃襯底上時(shí)

6、，其面電阻低于10 ; 以聚乙烯對(duì)苯二酸鹽為襯底時(shí)，其面電阻在60300 之間。但 ito 材料存在一些不足和缺陷：銦的產(chǎn)量少，從而導(dǎo)致 ito 的生產(chǎn)成本比較高 ; 對(duì)周?chē)h(huán)境和酸性物質(zhì)比較敏感，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定 ; 易碎，因而不能用于需要彎曲的電子設(shè)備中。而石墨烯的出現(xiàn)解決了 ito 存在的問(wèn)題，給電子器件的新發(fā)展帶來(lái)了希望。石墨烯在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有很高的透射率t=97.7%，高于 ito。石墨烯的面電阻通過(guò)生長(zhǎng)的控制也可以達(dá)到同ito 材料一樣小。很顯然，石墨烯比ito 材料具有更優(yōu)異的特性，更適合用于制作電子器件。上述內(nèi)容上對(duì)石墨烯和常用半導(dǎo)體材料的特性的比較。我們可以發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有

7、更多優(yōu)異的性質(zhì)，石墨烯在電子器件的制作方面具有廣闊的應(yīng)用前景。下面，我們列舉一些由石墨烯制作成的電子器件的實(shí)例。2.1光電探測(cè)器光電探測(cè)器是通過(guò)吸收入射光子能量，將價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而改變材料的電學(xué)性能，測(cè)量光功率和光子數(shù)的器件。在遠(yuǎn)程控制，電視、 dvd播放器中都有用到。一般的半導(dǎo)體材料對(duì)入射光子能量的吸收受帶隙大小的影響當(dāng)光子能量小于帶隙時(shí)是不能吸收的。例如， iv 族、 iii-v 族半導(dǎo)體在長(zhǎng)波范圍，由于光子能量小于帶隙，因而這些材料對(duì)長(zhǎng)波不能吸收，可看成透明。而石墨烯的帶隙為零，從紫外到太赫茲波段都可將價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，具有很寬的吸收帶寬，并且石墨烯具有很高的載流子遷移

8、率。因而，可以將石墨烯用于制作響應(yīng)速度快、波長(zhǎng)探測(cè)范圍寬的探測(cè)器。2.2超級(jí)電容器隨著社會(huì)的高速發(fā)展，我們需要一些內(nèi)存比較大的存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)滿足我們的日常生活需要，這使得科學(xué)家不斷地探尋和研究一些具備較大存儲(chǔ)能力的設(shè)備，超級(jí)電容器就是其中之一。它能夠以較快的速度傳遞能量。至今，各種各樣的材料，如碳質(zhì)材料、混合金屬氧化物、導(dǎo)體聚合物等都被用于制作超級(jí)電容器的電極，尤其是碳質(zhì)材料，有很大的面電阻和比表面積。但是碳納米管制作成的超級(jí)電容因無(wú)法有效降低電極和集電極設(shè)備間的接觸電阻，使得電容器沒(méi)有達(dá)到預(yù)想的存儲(chǔ)效果。石墨烯有穩(wěn)定的化學(xué)性能，高的電導(dǎo)率以及較大的比表面積等優(yōu)點(diǎn)而被用于制作超級(jí)電容器。曾有報(bào)道，

9、多層石墨烯在h2so4溶液和電解液中被制作出了比電容分別為 117 f/g ， 135 f/g 的超級(jí)電容器。此外， yan wang小組利用石墨烯的氧化物制作出了比電容為 205 f/g 的超級(jí)電容器，且具有很長(zhǎng)的使用壽命，經(jīng)過(guò) 1 200 次循環(huán)測(cè)試后，比電容仍為測(cè)試前的 90%，圖 3 即為利用石墨烯制作成的超級(jí)電容設(shè)備。2.3觸摸屏石墨烯除了被用于光電探測(cè)器、超級(jí)電容設(shè)備、太陽(yáng)能電池外，還可被用于制作觸摸屏。觸摸屏在我們的日常生活中隨處可見(jiàn)，大家手上使用的觸屏手機(jī)、電腦、照相機(jī)、顯示屏、電視，等等。通常使用的觸屏是電阻和電容式的，圖 4 所示，包含導(dǎo)電襯底、液晶面板和透明導(dǎo)電薄膜 ( 作為透明電極 ) 。透明導(dǎo)電薄膜的面電阻 rs 在 5002 000 之間，要求波長(zhǎng)在 550 nm 的透射率 t90%，對(duì)材料的化學(xué)穩(wěn)定性、硬度等都有很高的要求。而當(dāng)前使用較多的銦錫氧化物 (ito) 因成本高、易碎且不能彎曲等特點(diǎn)，被認(rèn)為不是制作觸摸屏的最完美的材料，石墨烯的出現(xiàn)正好彌補(bǔ)了 ito 的不足。如前所述，石墨烯不僅有很高的透射率 t、適合的面電阻，還具有很好的均勻性，而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有硬度大等特點(diǎn)。圖 5 為 bae