石墨烯的特殊性能

1、石墨烯的特殊性能摘要：石墨烯是2004年才發(fā)現的一種有奇異性能的新型材料，它是由碳原子組成的二維六角點陣結構，具有單一原子層或幾個原子層厚。石墨烯因其具有獨特的電子能帶結構和具相對論電子學特性，是迄今為止人類發(fā)現的最理想的二維電子系統(tǒng)，且具有豐富而新奇的物理特性。本文詳細介紹了石墨烯的結構，特殊性能以及對石墨烯原胞進行了5×5×1的擴展，通過密度泛函理論 ( DFT) 和廣義梯度近似 ( GGA)對50個碳原子的本征石墨烯超晶胞進行電子結構計算。關鍵字：石墨烯，結構，特殊性能，超晶胞，電子結構計算一、 引言石墨烯是2004年以來發(fā)現的新型電子材料 石墨烯是sp2雜化碳原子形

2、成的厚度僅為單層原子的排列成蜂窩狀六角平面晶體。在單層石墨烯中，碳碳鍵長為0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是構成下列碳同素異型體的基本單元：例如：石墨，碳納米管和富勒烯。石墨烯被認為是平面多環(huán)芳香烴原子晶體。石墨烯在電子和光電器件領域有著重要和廣闊的應用前景 正因為如此，石墨烯的兩位發(fā)現者獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。石墨烯是一種沒有能隙的半導體，具有比硅高100倍的載流子遷移率，在室溫下具有微米級自由程和大的相干長度，因此石墨烯是納米電路的理想材料，石墨烯具有良好的導熱性3000W(m·K)、高強度(110GPa)和超大的比表面積 (2630mZg)。這些優(yōu)異的性

3、能使得石墨烯在納米電子器件、氣體傳感器、能量存儲及 復合材料等領域有光明的應用前景二、 石墨烯的特殊性能石墨烯是一種半金屬或者零帶隙二維材料，在靠近布里淵區(qū)6個角處的低能區(qū)，其E-k色散關系是線性的 ,因而電子或空穴的有效質量為零，這里的電子或空穴是相對論粒子，可以用自旋為12粒子的狄拉克方程來描述。石墨烯的電子遷移率實驗測量值超過15000cm(V·s)(載流子濃度n10 cm )，在10100K范圍內，遷移率幾乎與溫度無關，說明石墨烯中的主要散射機制是缺陷散射，因此，可以通過提高石墨烯的完整性來增加其遷移率，長波的聲學聲子散射使得石墨烯的室溫遷移率大約為200000cm (V&#

4、183;s)，其相應的電 阻率為lO -6 ·cm，比室溫電阻率最小的銀的電阻率還小。硅的電子遷移率為l400cm2(V.s)，電子在石墨烯中的傳輸速度是在硅中的100倍，因而未來的半導體材料是石墨烯而不是硅。這將使開發(fā)更高速的計算機芯片和生化傳感器成為可能。但是當石墨烯生長在siO2襯底上時，由于襯底的光學聲子對電子的散射比石墨烯本身對電子的散射要強很多，導致電子的遷移率下降為40000cm (V·s)。同時，人們也研究了化學摻雜對石墨烯載流子遷移率的影響。Schedin等發(fā)現 ，即使雜質濃度超過10 cm ，載流子遷移率也沒有發(fā)生變化。Chen等研究發(fā)現 ，低溫和超高真

5、空的環(huán)境下，對石墨烯摻雜金屬鉀可以使載流子的遷移率下降至原來的120左右，而當加熱石墨烯，去除摻雜的鉀后，載流子的遷移率又可以恢復到以前的水平。石墨烯獨特的電子特性產生了一種令人預想不到的高不透光性，這種單原子層對白光的吸收率是一個非常令人驚奇的數字：a2.3%，a是精細結構常數 。石墨烯的電子特性可以用傳統(tǒng)的緊束縛模型來描述，在這個模型中，電子能量與波數可以用式(1)來表示：其中： =28eV為最緊鄰躍遷能量，a為晶格常數，色散關系中的正負號分別對 應于導帶和價帶，它們在6個K點處值相同。這6個K點中有2個是無關的，而其它4個由于對稱性而完全等價。在K點附近，能量線性地依賴于波數，非常像相對

6、論粒子。 石墨烯被認為是理想的自旋電子學材料，因為其自旋一軌道耦合很弱，而且碳原子的核磁矩幾乎為零，因此，電子的自旋注入核探測可以在室溫下進行。石墨烯中，電子自旋擴散長度在室溫下甚至超過l m。石墨烯是現在世界上已知的最為堅固的材料。哥倫比亞大學JamesHone組的研究人員將石墨烯薄片襯于直徑為l15 m的SiO2空洞上 ，用顯微鏡確定石墨烯的位置后，開始利用硅探頭來按壓石墨烯薄膜，但是，他們很快發(fā)現硅探頭的強度不夠，往往是石墨烯薄膜未破，硅探頭就斷了，后來就只能改用半徑大概為1030nm的鉆石探頭來按壓，以得到薄膜被破壞時的應力值。然而令人震驚的是，石墨烯的強度是世界上最好的鋼強度的100

7、倍。最后，研究人員利用原子力顯微鏡針尖測量了石墨烯的力學性能，其彈性系數為10 Nm，而楊氏模量達05TPa。三、 本征石墨烯超晶胞模型幾何結構的優(yōu)化和電子結構的計算是采用基于密度的泛函理論 ( DFT) castep軟件包完成。在進行結構弛豫和電子結構的計算中 。采用廣義梯度近似修正的泛函處理交換相關勢能。能帶結構積分路徑的選取如圖1所示。為減少平面波的數量采用超軟贗勢描述原子實與價電子之間相互作用。平面波截斷能設置為280ev，k-point設置為1×1×2對應第一布里淵區(qū)。結構優(yōu)化采用BFGS算法，優(yōu)化參數設置如下：單元電子能收斂標準為1. 0 × 10 5

8、 eV/ atom，原子間相互作用力力收斂標準為0. 03 eV，晶體內應力收斂標準為0.05GPa，原子最大位移收斂標準為1.0×10-13m，三維模型中真空層取1.0×10-9m，石墨烯原胞結構如2（a）所示，能帶結構如2（b），由圖2可以看出，對于石墨烯原胞，其能帶結構帶隙為零，表現了很強的金屬特性。文中對石墨烯原胞進行5×5×1的擴展，得到50個碳原子的超晶胞。對幾何模型進行優(yōu)化后，結果如圖3所示圖3在計算模型的電學性質時，采用的積分路徑如圖1所示，首先從F出發(fā)，到達X點，再從X點到達K點，最后從K點回到F點，從而完成在布里淵區(qū)的計算。圖150個

9、碳原子的本征石墨烯超晶胞模型的能帶結構，如圖4所示，其中黑色虛線表示體系的費米能級，在能帶結構中只關心費米能級附近的計算，因此在計算中，選取費米能級附近的20條能帶附近進行分析。圖4由圖4可以看出，對于50個碳原子的超晶胞，能帶帶隙為零，以上計算結果與實驗測試相符合，表明石墨烯具有良好的導電性。四、 結束語本文對石墨烯結構和特殊性能的分析中得到石墨烯具有以下特點：石墨烯結構非常穩(wěn)定，具有優(yōu)秀的導電性，受到的干擾非常小，電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度，有相當的不透明度，是人類已知強度最高的物質比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。同時為了分析石墨烯的能帶結構，采用了對石墨烯原胞進行5×5×1的擴展，得到50個碳原子的超晶胞，利用軟件得到了原胞和超晶胞的能帶結構圖，從圖中看到能帶間隙為零，解釋了石墨烯的導電性。參考文獻：1.缺陷對石墨烯電子結構的影響 苗亞寧2.石墨烯結構性能和應用 李熊杰3.石墨烯電子能帶結構的計算 黃鐵鐵4.石墨烯能帶結構的