1、石墨烯王东2010年 10月调研报告的主要内容石墨烯的基本知识石墨烯的研究进展晶圆级石墨烯本人对该项目的若干建议石墨烯的基本知识C元素的同素异形体石墨 （ Graphite） 层状结构，每一层中的碳按六方环状排列，上下相邻层通过平行网面方向相互位移后再叠置形成层状结构，位移的方位和距离不同就导致不同的多型结构。金刚石（ Diamond） 四面体结构，四个碳原子占据四面体的顶点。石墨烯的基本知识富勒烯（ Fullerene）C60球棍模型1985年，英国化学家哈罗德 沃特尔 克罗托博士和美国科学家理查德 斯莫利等人在氦气流中以激光汽化蒸发石墨实验中首次制得由 60个碳组成的碳原子簇结构分子 C6
2、0。克罗托获得 1996年度诺贝尔化学奖。随后又陆续发现 C70等一系列由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球或椭球结构的共轭烯结构，以建筑学家富勒命名为富勒烯。石墨烯的基本知识纳米碳管 (Carbon Nanotube)在 1991年日本 NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子 ,这就是现在被称作的“ Carbon Nanotube”，即碳纳米管 ,又名巴基管。碳纳米管一般分为单壁 (右上 )和多壁（右下）两种。石墨烯的基本知识石墨烯 (Graphene)2004
3、年，曼彻斯特大学 Geim教授、 Novoselov博士和同事以微机械剥离法剥离层状石墨，发现了二维碳原子平面结构 石墨烯。高分辨 STM图片a) 石墨b) 单层石墨烯3个 C原子6个 C原子石墨烯的基本知识 石墨烯的发现推翻了所谓“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在” *的原有认知，震撼了整个物理界。因此其发现者 A. K. Geim和 K. S. Novoselov获得了 2008年诺贝尔物理学奖的提名。* Novoselov K S, Geim A K, Firsov A A. Science, 2004, 306:666-669.石墨烯的基本知识A. K. Geim和 K.
4、S. Novoselov已获 2010年诺贝尔物理奖石墨烯的基本知识什么是石墨烯？石墨烯 英文 Graphene，命名来自英文 graphite+ -ene，是一种由 C原子经 sp2电子轨道杂化后形成的蜂巢状的准二维结构，是 C元素的另外一种同素异形体。A.K. Geim教授认为，我们所熟知的石墨、纳米碳管和富勒烯等C的 3维结构，是由单层石墨烯 (SG)经过某种形变而形成的。石墨烯的基本知识单层石墨烯富勒烯 纳米碳管 石墨A K Geim & K S Novoselov.Nature Materials, 2007,6:183-191.石墨烯的基本知识石墨烯的稳定性由于完美二维晶体不能在有
5、限温度下稳定存在，近期理论模拟和透射电镜实验结果给出了可能的解释，即石墨烯平面上存在纳米级别的微观扭曲。Nano Letters, 2009, 9(5): 2129-2132石墨烯在聚合物中的相变。a) 加热前；b) 加热后石墨烯的基本知识石墨烯的种类单层石墨烯双层石墨烯少层石墨烯Single-layer Graphene(SG)Bi-layer Graphene(BG)Few-layer Graphene(FG)（层数 10）石墨烯 层间以范德华力（ Van Der Waals）结合石墨烯的层数不同，性质也随之产生很大差异。石墨烯的基本知识石墨烯家族的其它成员石墨烷 (Graphane) 氢
6、化石墨烯 (Graphone)氧化石墨烯 (Graphene Oxide)石墨烯的基本知识石墨烯的独特性质 最薄 单层原子厚、准二维 强度最高（ 1060 GPa） 惊人的热导率（ 3000 Wm-1K-1）和硬度 极高的载流子迁移率 105 cm2 V1 s1量级 载流子的有效质量为 0弹道输运 室温半整数量子霍尔效应 电导率永不消失石墨烯的独特性质是由其独特的结构所决定的。石墨烯的基本知识石墨烯C原子外层 3个电子通过 sp2杂化形成强 键 (蓝 )，相邻两个键之间夹角约为 120 ；第 4个电子为公共，形成弱 键 (紫 )，为平面结构。金刚石C原子外层四个电子通过sp3杂化，形成较强 键
7、，为四面体结构，相邻两个键之间夹角约为 109 。石墨烯的基本知识石墨烯的能带结构（一）载流子为无静止质量的狄拉克 -费米子，需用相对论量子力学来描述。Physics Today (2007)石墨烯的基本知识石墨烯的能带结构（二）Vertical optical transition Van Hove SingularityK KMonolayer Bilayerxx石墨烯的基本知识石墨烯的层间堆垛结构 (Stacking)双层石墨烯 (Bi-layer)三层石墨烯 (Tri-layer)单层石墨烯 (Single-layer)石墨烯的基本知识Graphene has two atoms pe
8、r unit cell.These two atoms for two interlocking triangular sub-lattices.石墨烯的基本知识- A atom- B atomModified from: http:/www.ewels.info/img/science/graphite Dr. Chris Ewels, Inst. of Materials Graphene has two simple edge geometies.The zigzag termination involves only one sub-lattice site.The armchair
9、termination involves both sub-lattice sites.- A atom- B atom石墨烯的基本知识石墨烯的基本知识石墨烯的输运特性对于单层或双层石墨烯，其最显著的性质：1.高室温迁移率，且电子与空穴的迁移率几乎相等，其散射机制主要是声子散射；2.载流子模型为无质量的狄拉克 -费米子(Massless Dirac-Fermions)；3.半整数和反常霍尔效应、室温量子霍尔效应；4.电子相干弹道输运；5.库伦阻塞等。石墨烯的基本知识单层石墨烯的反常电导率零电场下，石墨烯在 Dirac点附近的电导率并未因载流子浓度 n趋于零而消失，相反却接近量子化的电导率4e2
10、/h产生的原因可能是石墨烯的原子层起伏或者与衬底的杂质间的相互作用石墨烯的基本知识量子霍尔效应 (QHE)SLG的霍尔电导率 ，相对于标准序列数值改变了 1/2， 4来自于双自旋和双能谷简并；BLG遵循标准序列 ，但 N=0，第一个峰消失，表明在中性点 BLG有金属的性质。21 2xy 4 ( N )e / h 2xy 4 N e / h 石墨烯的基本知识石墨烯的光学性质ACS Nano, 2009, 3: 3963石墨烯被氧等离子体处理后，被波长 514nm的激光激发，会产生 500800nm的可见光光谱，光子寿命在 2ns以上。1、 2和 3区域分别为单层、双层和 3层石墨烯。石墨烯的基本
11、知识石墨烯的磁学性质石墨烯电子杂化程度高，本身不具磁性，引入杂质或缺陷使外层有未配对电子，会产生磁性。北大孙强教授课题组报道了利用氢化技术，使部分 C原子吸附 H，破坏 键，使未氢化 C原子产生未配对的 2p电子，它们之间长程交换耦合，产生铁磁性，居里温度 278417K，并将其命名为 Graphone。Nano Letters, 2009, 9(11):3867-3870石墨烯的基本知识石墨烯的主要制备方法物理方法HOPG微机械剥离法超声剥离法化学方法SiC高温热解法过渡族金属衬底 CVD法氧化 -分散 -还原法其它方法石墨烯的基本知识HOPG微机械剥离法利用手工或超声的方法将高取向性高温热
12、解石墨 (HOPG)逐层剥离，缺点是效率低、无法大面积，优点是层数可控，尤其可得到单层石墨烯。如果采用超声剥离技术，可以提高效率和成品率Nanotechnology, 2008, 19: 455601石墨烯的基本知识SiC衬底高温热解法超高真空 (10-10Torr)下对 SiC衬底氧化或氢化处理，加热至 12001500 ，再降温冷却形成石墨烯。优点是可得到单层和双层石墨烯，缺点是成本高、均匀性差， Si面形成单层或少层片状石墨烯， C面形成多层石墨烯。Graphene and Emerging Materials for Post-CMOS Applications, 2009,19(5):125-130C-terminate SiC Si-terminate SiC石墨烯的基本知识SiC衬底高温热解法GrapheneC-SiCC原子重构 (Reconstruction)Si-face (0001) SiCC-face (000-1 ) SiC()8 5 0 C 1 0 0 0 C1 1 5 0 C 1 3 5 0 C( 3 3 ) ( 1 1 ) ( 3 3 )( 6 3 6 3 ) G r a p h it iz a ti o n Graphene
