石墨烯基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介

1、WORD格式WORD 整理版1. 石墨烯（ Graphene）的結(jié)構(gòu)石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢狀晶格的平面薄膜，是一種只有一個(gè)原子層厚度的二維材料。如圖 1.1 所示，石墨烯的原胞由晶格矢量 a1 和 a2 定義每個(gè)原胞內(nèi)有兩個(gè)原子，分別位于A 和 B 的晶格上。 C 原子外層 3 個(gè)電子通過 sp2雜化形成強(qiáng) 鍵（藍(lán)），相鄰兩個(gè)鍵之間的夾角 120°，第 4 個(gè)電子為公共，形成弱 鍵（紫）。石墨烯的碳 - 碳鍵長(zhǎng)約為 0.142nm，每個(gè)晶格內(nèi)有三個(gè) 鍵，所有碳原子的 p 軌道均與 sp2雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個(gè)離域 鍵，其貫穿整個(gè)石墨烯。如

2、圖 1.2 所示，石墨烯是富勒烯（ 0 維）、碳納米管（ 1 維）、石墨（ 3 維）的基本組成單元， 可以被視為無限大的芳香族分子。 形象來說， 石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢狀的晶格結(jié)構(gòu)， 看上去就像由六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。每個(gè)碳原子通過 sp2雜化與周圍碳原子構(gòu)成正六邊形，每一個(gè)六邊形單元實(shí)際上類似一個(gè)苯環(huán)， 每一個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)未成鍵的電子， 單層石墨烯的厚度僅為 0.335nm，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。圖 1.1 （ a）石墨烯中碳原子的成鍵形式（ b）石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)。專業(yè)資料整理專業(yè)學(xué)習(xí)參考資料WORD 整理版圖 1.2 石墨烯原子結(jié)構(gòu)圖及它形成富勒烯、碳納米管和

3、石墨示意圖石墨烯按照層數(shù)劃分， 大致可分為單層、 雙層和少數(shù)層石墨烯。 前兩類具有相似的電子譜，均為零帶隙結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體（價(jià)帶和導(dǎo)帶相較于一點(diǎn)的半金屬） ，具有空穴和電子兩種形式的載流子。 雙層石墨烯又可分為對(duì)稱雙層和不對(duì)稱雙層石墨烯，前者的價(jià)帶和導(dǎo)帶微接觸，并沒有改變其零帶隙結(jié)構(gòu)；而對(duì)于后者，其兩片石墨烯之間會(huì)產(chǎn)生明顯的帶隙， 但是通過設(shè)計(jì)雙柵結(jié)構(gòu)， 能使其晶體管呈示出明顯的關(guān)態(tài)。單層石墨烯（ Graphene）：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。雙層石墨烯（ Bilayer or double-layer graphene）：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（

4、即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括 AB堆垛，AA堆垛， AA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。少層石墨烯（ Few-layer or multi-layer graphene）：指由 3-10 層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括 ABC 堆垛， ABA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。石墨烯（ Graphenes）：是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少專業(yè)學(xué)習(xí)參考資料WORD 整理版層石墨烯的統(tǒng)稱。由于二維晶體在熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性，所以不管是以自由狀態(tài)存在或是沉積在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微

5、觀尺度的褶皺，蒙特卡洛模擬和透射電子顯微鏡都證明了這一點(diǎn)。這種微觀褶皺在橫向上的尺度在810nm 范圍內(nèi)，縱向尺度大概為0.71.0nm 。這種三維的變化可引起靜電的產(chǎn)生，所以使石墨單層容易聚集。同時(shí)，褶皺大小不同，石墨烯所表現(xiàn)出來的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)也不同。圖 1.3單層石墨烯的典型構(gòu)象除了表面褶皺之外， 在實(shí)際中石墨烯也不是完美存在的， 而是會(huì)有各種形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元環(huán)，七元環(huán)等） 、空洞、邊緣、裂紋、雜原子等。這些缺陷會(huì)影響石墨烯的本征性能，如電學(xué)性能、力學(xué)性能等。但是通過一些人為的方法， 如高能射線照射， 化學(xué)處理等引入缺陷， 卻能有意的改變石墨烯的本征性能，從而制備出不

6、同性能要求的石墨烯器件。2. 石墨烯的性質(zhì)2.1力學(xué)特性在石墨烯二維平面內(nèi) , 每一個(gè)碳原子都以 鍵同相鄰的三個(gè)碳原子相連 , 相鄰兩個(gè)鍵之間的夾角 120°，鍵長(zhǎng)約為 0.142nm, 這些 C-C 鍵使石墨烯具有良好的結(jié)構(gòu)剛性，石墨烯是世界上已知的最牢固的材料 , 其本征（斷裂）強(qiáng)度可達(dá) 130GPa, 是鋼的 100 多倍 , 楊氏（拉伸）模量為 1100GPa。如此高強(qiáng)輕質(zhì)的薄膜材料 , 有望用于航空航天等眾多領(lǐng)域。2.2電學(xué)特性石墨烯的每個(gè)晶格內(nèi)有三個(gè) 鍵，所有碳原子的 p 軌道均與 sp2雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個(gè)離域 鍵，其貫穿整個(gè)石墨烯。 電子在平面內(nèi)專業(yè)

7、學(xué)習(xí)參考資料WORD 整理版可以自由移動(dòng) , 使石墨烯具有良好的導(dǎo)電性石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有室溫半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，雙極性電場(chǎng)效應(yīng)，超導(dǎo)電性，高載流子率等優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，其載流子率在室溫下可達(dá)到 1.5 ×cm2.。電子能量電子能量電子能量導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁導(dǎo)帶重疊帶帶 禁價(jià)帶價(jià)帶價(jià)帶圖 2.1絕緣體，導(dǎo)體，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)圖 2.2石墨烯能帶結(jié)構(gòu)2.2.1 石墨烯能帶結(jié)構(gòu)當(dāng)絕對(duì)零度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶（完全被電子占據(jù)）。當(dāng)受光電或熱激發(fā)后價(jià)帶中的部分電子（石墨烯的電子運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)m/s，是光速的1/300 ）越過禁帶進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶， 價(jià)帶中缺少一個(gè)電專業(yè)學(xué)

8、習(xí)參考資料WORD 整理版子后形成一個(gè)帶正電的空位， 成為空穴。導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴合稱為電子 - 空穴對(duì)，則電子，空穴能自由移動(dòng)成為自由載流子。它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)形成宏觀電流，分別成為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。石墨烯的每一單位晶格有 2 個(gè)碳原子 , 導(dǎo)致其在每個(gè)布里淵區(qū)有兩個(gè)等價(jià)錐形相交點(diǎn) (K 和 K) 點(diǎn)，再相交點(diǎn)附近其能量于波矢量成線性關(guān)系（ 2.1 ）E：能量， ?：約化普朗克常數(shù)，：費(fèi)米速度， 1*m/s，分別是波矢量再 X-和 Y-軸的分量。因此，使得石墨烯中的電子和空穴的有效質(zhì)量均為零，所有電子，空穴被稱為狄拉克費(fèi)米子。相交點(diǎn)為狄拉克點(diǎn)，在其附近能量為零，古石墨烯

9、的帶隙（禁帶）為零。石墨烯獨(dú)特的載流子特性和無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子屬性使其能夠在室溫下觀測(cè)到霍爾效應(yīng)和異常的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí)， 在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差）。表明了其獨(dú)特的載流子特性和優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)。石墨烯的室溫載流子遷移率實(shí)測(cè)值達(dá)15000cm2/V ·s( 電子密度cm2) 。2.2.2 石墨烯高遷移率的原因散射機(jī)制在一定溫度下 , 即使沒有外加電場(chǎng) , 半導(dǎo)體中的大量載流子也在永不停息的作著無規(guī)則的、雜亂無章的熱運(yùn)動(dòng)。載流子在運(yùn)動(dòng)時(shí) , 便會(huì)不斷的與熱振動(dòng)著的晶格或半導(dǎo)體中電離子的雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞 , 使載流子速度的大小及方

10、向發(fā)生改變。也就是說載流子在運(yùn)動(dòng)中受到了散射。 當(dāng)有外電場(chǎng)作用時(shí) , 一方面 , 載流子在電場(chǎng)力的作用下作定向運(yùn)動(dòng) ; 另一方面 , 載流子仍不斷的遭到散射 , 使其運(yùn)動(dòng)方向不斷的改變。載流子就是在外力和散射的雙重影響下 , 以一定的平均速度沿力的方向漂移。眾所周知 , 在具有嚴(yán)格周期勢(shì)場(chǎng)的晶體中 , 載流子不會(huì)遭到散射。 載流子遭到散射的根本原因就是這種周期勢(shì)場(chǎng)被破壞。在實(shí)際的晶體中 , 除了存在周期勢(shì)場(chǎng)外還存在一個(gè)附加勢(shì)場(chǎng) , 從而使周期勢(shì)場(chǎng)發(fā)生變化。 由于附加勢(shì)場(chǎng)的作用 , 就會(huì)使能帶中的載流子發(fā)生在不同狀態(tài)間的躍遷。例如 , 原來處于狀態(tài)的載流子遭到散射后以一定的幾率躍遷到各種其他的狀

11、態(tài)。晶體電子可看成是處于晶體原子所構(gòu)成的晶格周期性勢(shì)場(chǎng)之中的微觀粒子，專業(yè)學(xué)習(xí)參考資料WORD 整理版此勢(shì)場(chǎng)的形式就決定了晶體電子的能量狀態(tài)能帶。 此即意味著晶體電子的狀態(tài)（用電子波的波矢 k 表征）由晶格周期性勢(shì)場(chǎng)決定， 即規(guī)則排列的晶體原子， 就決定著由許多波矢 k 表征的晶體電子的狀態(tài)。因?yàn)檩d流子散射就是載流子的動(dòng)量發(fā)生改變的現(xiàn)象，也就是波矢k（ 晶體動(dòng)量，大小為波長(zhǎng)的倒數(shù)） 發(fā)生改變的現(xiàn)象； 而規(guī)則排列的原子構(gòu)成的晶格周期性勢(shì)場(chǎng)只是決定晶體電子的穩(wěn)定狀態(tài)， 而不會(huì)引起狀態(tài)的變化。 故可以說，在完整的晶格周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電子不會(huì)遭受散射。 因此，規(guī)則排列的晶體原子不會(huì)散射載流子。規(guī)則排

12、列的晶體原子不散射載流子的情況， 也可以用電子波在晶體中的傳播概念來理解。 因?yàn)殡娮釉诰w中的運(yùn)動(dòng)， 實(shí)際上就是電子波在晶體中的傳播； 而規(guī)則原子構(gòu)成的許多晶面都可以反射電子波， 而各個(gè)反射波之間干涉的結(jié)果， 除了某一定波長(zhǎng)的電子波因滿足 Bragg 反射最大的條件、 而不能傳播以外， 其余的電子波都可以在晶格中很好地傳播，從而相應(yīng)的這些電子并不遭受散射。而在晶體中不能傳播的電子波的波矢， 正好是 Brillouin 區(qū)邊緣的那種波矢（狀態(tài)），即這種狀態(tài)是不存在的。 在能量上， Brillouin 區(qū)邊緣就對(duì)應(yīng)于禁帶； Brillouin 區(qū)內(nèi)部的波矢所對(duì)應(yīng)的就是容許帶（能帶） 。因此，處于能

13、帶中的晶體電子，不會(huì)受到晶格的反射，即不會(huì)受到晶體原子的散射。總之，規(guī)則排列的晶體原子、亦即相應(yīng)的晶格周期性勢(shì)場(chǎng)不會(huì)散射載流子。可以想見，不是規(guī)則排列的晶體原子、 亦即不是完整的晶格周期性勢(shì)場(chǎng)就必將散射載流子。換句話說，在完整晶格周期性勢(shì)場(chǎng)之上的任何附加勢(shì)場(chǎng)， 對(duì)于晶體中的載流子都將要產(chǎn)生散射作用。所以，電子在石墨烯中傳輸時(shí)不易發(fā)生散射， 表明石墨烯的主要散射機(jī)制是缺陷散射。可以提高石墨烯的完整性來增加其遷移率。2.3 光學(xué)特性單層石墨烯的透過率可從菲涅耳公式用于通用光傳導(dǎo)的薄膜材料中得到（2.2 ）（ ） 1- 97.7%（2.3 ）其中， = ，e 是光子的電荷、 C 為光速 , 為精細(xì)結(jié)

14、構(gòu)常專業(yè)學(xué)習(xí)參考資料WORD 整理版數(shù)?？梢妴螌邮?duì)光的吸收率達(dá)到了2.3%, 對(duì)于多層石墨煉片 , 可以看做單層石墨烯的簡(jiǎn)單疊加 , 每一層的吸收是恒定不變的, 隨著層數(shù)的增加 , 吸收也線性增長(zhǎng)。多層石墨烯的透過率為:T= （ 1- ）2。其中 =2.3%為單層石墨稀的非飽和吸收效率 ,n為石墨稀的層數(shù)。根據(jù)上式得出的多層石墨烯對(duì)光的吸收率和層數(shù)的關(guān)系 , 隨著層數(shù)的增加 , 石墨烯對(duì)光的吸收率也變大,10層時(shí)吸收率達(dá)到 0.207 。吸收波長(zhǎng)取決于能帶間隙， 即禁帶寬度。因?yàn)槭榱銕督Y(jié)構(gòu)，理論上對(duì)任何波長(zhǎng)都有吸收作用，另外，當(dāng)入射光的強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，石墨烯對(duì)其的吸收會(huì)達(dá)到

15、飽和，這一非線性光學(xué)行為稱為可飽和吸收。2.3.1 可飽和吸收原理當(dāng)強(qiáng)光照射到石墨稀上時(shí) , 石墨稀的吸收不再是線性的 , 而是非線性的依賴于光強(qiáng) , 這個(gè)效應(yīng)稱為可飽和吸收。初始時(shí)（圖 2.3 a）在光子的入射下 , 價(jià)帶上的電子將吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶。這些電子經(jīng)熱化和冷卻后形成熱費(fèi)米 - 狄拉克分布。遵循泡利不相容原理， 占據(jù)導(dǎo)帶上最低的能量狀態(tài)， 熱載流子能量降到平衡態(tài)，價(jià)帶的電子也重新分布到低能量狀態(tài)， 能量高的狀態(tài)唄空穴占據(jù)這個(gè)過程同事伴隨著電子 - 空穴復(fù)合和聲子散射 （圖 2.3b ）。對(duì)于 c，當(dāng)光的強(qiáng)度降低時(shí)，吸收系數(shù)與載流子的寬度呈遞減關(guān)系。 若光的強(qiáng)度足夠大， 電子被

16、源源不斷激勵(lì)到導(dǎo)帶，光生載流子將整個(gè)導(dǎo)帶 - 價(jià)帶填滿 , 阻礙光的進(jìn)一步吸收 , 對(duì)光表現(xiàn)為透明 , 帶間躍遷被阻斷此時(shí)石墨稀被飽和，光子無損耗通過?？娠柡臀仗匦詺w因于兩個(gè)主要原因， 首先，石墨烯強(qiáng)烈的與波長(zhǎng)無關(guān)的線性吸收（2.3%）提供了吸收飽和調(diào)制深度的潛能。 這種大的線性吸收來源于石墨烯的獨(dú)特的性能，包括石墨烯是二維無質(zhì)量費(fèi)米子和圓錐形的能帶結(jié)構(gòu)。第二，石墨烯的激發(fā)態(tài)吸收的是動(dòng)量禁止的， 因此需要聲子的輔助。 激發(fā)態(tài)電子唯一的光子耦合過程過受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)的。專業(yè)學(xué)習(xí)參考資料WORD 整理版圖 2.1 （ a）電子有價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶， （ b）費(fèi)米狄拉克分布形成， （ c）高強(qiáng)度入射光下光

17、生載流子引起飽和，阻止進(jìn)一步吸收。泡利不相容原理（ Pauli s exclusion principle ）又稱泡利原理，在費(fèi)米（電子）子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的粒子處于完全相同的狀態(tài)。在原子中完全確定一個(gè)電子的狀態(tài)需要四個(gè)量子數(shù)， 所以泡利不相容原理在原子中就表現(xiàn)為：不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的四個(gè)量子數(shù)， 這成為電子在核外排布形成周期性從而解釋元素周期表的準(zhǔn)則之一。調(diào)制深度，是材料完全飽和時(shí)的反射率的最大變化，一般由可飽和的吸收體的材料和厚度決定。石墨煉的調(diào)制深度隨著其層數(shù)的改變而改變, 這種簡(jiǎn)單的方法降低了制備難度和成本。單層石墨稀調(diào)制深度達(dá)66.5%，調(diào)制深度

18、與石墨稀層數(shù)成反比關(guān)系 , 可以通過控制其層數(shù)來調(diào)節(jié)調(diào)制深度。但是層數(shù)的增加也帶來了散射損耗和內(nèi)部缺陷 , 這些非飽和損耗帶來了調(diào)制深度的降低。因此 , 需要合理的選擇石墨烯的層數(shù) , 來優(yōu)化鎖模脈沖的性能。弛豫，一個(gè)宏觀平衡系統(tǒng)由于周圍環(huán)境的變化或受到外界的作用而變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，這個(gè)系統(tǒng)再由非平衡狀態(tài)過渡到新的平衡態(tài)的過程。實(shí)質(zhì)，系統(tǒng)中微觀例子由于相互作用而交換能量最后達(dá)到穩(wěn)定分布的過程。當(dāng)光能量足夠大時(shí) , 電子的躍遷速率高于帶間馳豫速率 , 被吸收光子能量對(duì)應(yīng)的激發(fā)態(tài)之下的能態(tài)全部被填滿 , 同時(shí)價(jià)帶頂也被價(jià)帶上的空穴填滿 , 對(duì)光吸收達(dá)到飽和。石墨稀可飽和吸收過程中 , 帶間躍遷馳豫時(shí)

19、間在 0.4-1.7ps 范圍內(nèi) ,專業(yè)學(xué)習(xí)參考資料WORD 整理版可起到啟動(dòng)鎖模作用； 帶內(nèi)載流子散射和復(fù)合馳豫時(shí)間在 70-120fs 范圍內(nèi) , 可以有效壓縮脈沖 , 穩(wěn)定鎖模 , 產(chǎn)生飛秒脈沖。脈沖通常是指電子技術(shù)中經(jīng)常運(yùn)用的一種象脈搏似的短暫起伏的電沖擊 ( 電壓或電流 ) 。主要特性有波形、幅度、寬度和重復(fù)頻率。脈沖是相對(duì)于連續(xù)信號(hào)在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)短時(shí)間發(fā)生的信號(hào)， 大部分信號(hào)周期內(nèi)沒有信號(hào)。 就像人的脈搏一樣?，F(xiàn)在一般指數(shù)字信號(hào)， 它已經(jīng)是一個(gè)周期內(nèi)有一半時(shí)間有信號(hào)。 計(jì)算機(jī)內(nèi)的信號(hào)就是脈沖信號(hào)， 又叫數(shù)字信號(hào)。 此外，脈沖也用來表示思想感情上的沖動(dòng)和要求。鎖模鎖模是光學(xué)里一種用

20、于產(chǎn)生極短時(shí)間激光脈沖的技術(shù)， 脈沖的長(zhǎng)度通常在皮秒（10 負(fù)十二次方秒）甚至飛秒（ 10 負(fù)十五次方秒）。該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是在激光共振腔中的不同模式間引入固定的相位關(guān)系， 這樣產(chǎn)生的激光被稱為鎖相激光或鎖模激光。這些模式之間的干涉會(huì)使激光產(chǎn)生一系列的脈沖。 根據(jù)激光的性質(zhì)，這些脈沖可能會(huì)有極短的持續(xù)時(shí)間，甚至可以達(dá)到飛秒的量級(jí)。在自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器中縱模與橫模同時(shí)震蕩， 模式之間無固定相位關(guān)系， 無規(guī)則的相位關(guān)系干涉了諧振腔的縱模， 造成了很強(qiáng)的擾動(dòng)， 如果諧振腔內(nèi)有合適的非線性器件， 或者從外部驅(qū)動(dòng)光調(diào)制器， 這些無規(guī)則的擾動(dòng)就可能裝換成循環(huán)在諧振腔中相位規(guī)則且功率很大的單脈沖。第一種情況下

21、， 因?yàn)檩椛浔旧砼c被動(dòng)非線性器件共同產(chǎn)生周期性調(diào)制， 導(dǎo)致軸向模有固定的相位關(guān)系，所以稱為被動(dòng)鎖模。第二種情況下，因?yàn)榻o調(diào)制器施加的射頻信號(hào)提供了相位或頻率調(diào)制而導(dǎo)致鎖模，所以稱為主動(dòng)鎖模。自鎖模又稱克爾透鏡鎖模 (Kerr Lens ModeLocking(KLML) ，是利用激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)對(duì)振蕩光束進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制、 相位鎖定，來實(shí)現(xiàn)鎖模的， 它不需要外加主動(dòng)或被動(dòng)調(diào)制的組件。 由于晶體的克爾效應(yīng)引起光學(xué)自聚焦作用， 晶體的折射率隨光強(qiáng)的變化而發(fā)生變化， 晶體中的光束為高斯分布時(shí)， 使晶體折射率由中心至邊緣逐漸降低， 形成自聚焦現(xiàn)象，晶體類似一個(gè)凸透鏡， 即克爾透鏡。如果在諧振腔中隨

22、著強(qiáng)度增大而模尺寸減小的位置插入一個(gè)直徑很小的光闌， 就能獲得可飽和吸收體的作用。鎖模具有脈寬窄、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。專業(yè)學(xué)習(xí)參考資料WORD 整理版但是自鎖模激光器存在問題： 一是不能自啟動(dòng)， 只有得到外加的干擾信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)鎖模，這樣不利于激光器的正常運(yùn)行， 因此這就使它對(duì)任一外界的擾動(dòng)等非常靈敏，；二是泵浦源要求腔內(nèi)功率密度足夠高，過度的自調(diào)制將引起鎖模的不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響了固體自鎖模激光器的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和廣泛應(yīng)用。近年來，為了追求結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的鎖模激光器， 研究的焦點(diǎn)主要集中在和可飽和吸收體鎖模技術(shù)上。鎖模理論 : 在一個(gè)簡(jiǎn)單的激光器中，這些模式都是獨(dú)立的振蕩的，因此模式之間沒有固定地關(guān)系， 就好

23、像一組彼此獨(dú)立、 頻率稍有不同的激光從激光器中同時(shí)射出一樣。每一束光的相位都沒有固定， 而且相位可能因?yàn)楦鞣N原因產(chǎn)生隨機(jī)的變化，例如激光器的工作材料的溫度變化等等。 在只有很少的幾個(gè)振蕩模式的激光器中，模式之間的干涉會(huì)產(chǎn)生激光輸出的拍頻現(xiàn)象， 這會(huì)引起激光強(qiáng)度的隨機(jī)波動(dòng)。而在具有成千上萬個(gè)模式的激光器， 這些干涉現(xiàn)象會(huì)平均起來產(chǎn)生近似常數(shù)的輸出強(qiáng)度，這種激光的工作方式被稱為連續(xù)波。如果不允許模式獨(dú)立振蕩， 而是要求每個(gè)模式與其他模式之間保持固定的相位，激光輸出就會(huì)有很大的不同特點(diǎn)。 這時(shí)的輸出強(qiáng)度不再是隨機(jī)性的變化或者近似為常數(shù)，而是由于不同模式的激光周期性的建立起相生干涉， 導(dǎo)致產(chǎn)生脈沖激光

24、。這樣的激光器被稱為鎖?；蛘哝i相。這些激光脈沖的時(shí)間間隔為 = 2L/c ，其中 是激光往返共振腔所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間對(duì)應(yīng)的激光器模式之間的頻率間隔，也就是 = 1/ 。脈沖的持續(xù)時(shí)間由同相振蕩的激光的縱模數(shù)量決定。在現(xiàn)實(shí)的激光器中， 并不是所有的激光縱模都會(huì)被鎖相。如果相位鎖定的模式數(shù)量為 N，頻率間隔為，那么總的鎖模激光帶寬為 N，帶寬越寬，激光發(fā)出的脈沖持續(xù)時(shí)間越短。在現(xiàn)實(shí)中，實(shí)際的脈沖持續(xù)時(shí)間還受到脈沖波形的影響， 這個(gè)波形是由每個(gè)縱模的振幅與相位之間的關(guān)系決定的。 例如，對(duì)于一個(gè)產(chǎn)生的脈沖時(shí)域波形為高斯形狀的機(jī)況起來說，其最短的脈沖持續(xù)時(shí)間t 為t=0.44/(N*)其中的常數(shù) 0.

25、44 被稱為脈沖的時(shí)間帶寬積， 是一個(gè)與脈沖形狀有關(guān)的常數(shù)。對(duì)于超短時(shí)間激光脈沖， 其脈沖形狀通常認(rèn)為是雙曲正割平方， 此時(shí)的時(shí)間帶寬積為 0.315.通過這個(gè)等式，我們可以根據(jù)激光的頻譜寬度計(jì)算出最短的脈沖持續(xù)時(shí)間。專業(yè)學(xué)習(xí)參考資料WORD 整理版對(duì)于氦氖激光器， 其頻譜帶寬為 1.5 吉赫，而它在這個(gè)帶寬下所能產(chǎn)生的最短高斯形狀脈沖大約是 300 皮秒，而對(duì)于鈦摻雜藍(lán)寶石固體激光器， 它的帶寬對(duì)應(yīng)的脈沖持續(xù)時(shí)間將僅有 3 飛秒。這些數(shù)值表示的根據(jù)激光的帶寬理論上所能產(chǎn)生的最短持續(xù)時(shí)間， 而在實(shí)際的鎖模激光中， 脈沖持續(xù)時(shí)間還受到其它各種因素的影響，如真實(shí)的脈沖形狀、激光腔的色散等等。需要注

26、意的是， 從理論上說， 隨后的調(diào)制會(huì)進(jìn)一步縮短脈沖的持續(xù)時(shí)間， 然而頻譜的寬度將會(huì)相應(yīng)的增加。2.4 熱學(xué)特性研究發(fā)現(xiàn) , 石墨烯的熱導(dǎo)率可達(dá) 5000 W/m·K, 是金剛石的 3 倍。石墨烯同樣是一種優(yōu)良的熱導(dǎo)體。 因?yàn)樵谖磽诫s石墨中載流子密度較低， 因此石墨烯的傳熱主要是靠聲子的傳遞，而電子運(yùn)動(dòng)對(duì)石墨烯的導(dǎo)熱可以忽略不計(jì)。2.5 磁性特性由于石墨烯邊緣及缺陷處有孤對(duì)電子，使石墨烯具有鐵磁性等磁性能。2 石墨烯應(yīng)用2.1 傳感器石墨烯的二維結(jié)構(gòu)（二維結(jié)構(gòu)是指原子或離子集團(tuán)中的原子或離子具有在空間沿二維方向的正、 反向延伸作有規(guī)律排布的結(jié)構(gòu)） 使得它在層狀材料中的比表面積最大，表面

27、部位與體相間無區(qū)別， 這對(duì)高明敏感性必不可少， 這種材料已成為其它納米材料傳感器實(shí)施背后的主要推動(dòng)力。 超高比表面與奇異電子性質(zhì) 的結(jié)合意味著石墨烯上任何分子的破壞都容易檢測(cè)到， 石墨烯導(dǎo)向的傳感器檢測(cè)表面上下的單個(gè)分子很敏感。 二維石墨烯的獲得使設(shè)計(jì)和制備石墨烯導(dǎo)向的電極并使其運(yùn)用在電化學(xué)傳感器和生物傳感器中成為可能。2.2 電化學(xué)催化石墨烯基材料的電催化作用來自兩個(gè)不同途徑。一方面，石墨烯或其衍生物自身有極好的催化性質(zhì)。 石墨烯顯著的 快速電子傳遞功能和活潑的電催化作用主要是由于出現(xiàn)在垂直石墨烯納米片最后的類似于熱解石墨邊緣平面的邊緣面/ 缺陷。另一方面，在石墨烯上沉積無機(jī)金屬，尤其是貴金

28、屬納米顆粒，形成石墨烯衍生物，由于貴金屬納米顆粒有著極好的催化活性，因此形成的石墨烯衍生物呈現(xiàn)出新的電催化性質(zhì)。專業(yè)學(xué)習(xí)參考資料WORD 整理版2.3 電化學(xué)發(fā)光電化學(xué)發(fā)光是一種通過電化學(xué)激發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光的現(xiàn)象。 電化學(xué)發(fā)光傳感器中石墨烯的 超高導(dǎo)電性質(zhì)能有效地促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移 。當(dāng)石墨烯進(jìn)入傳感器平臺(tái)，它可以充當(dāng)發(fā)光團(tuán)和電極之間的通路。 而且，石墨烯的引入可以提高平臺(tái)的表面積和孔隙率，這可以使共反應(yīng)物擴(kuò)散得更快。2.4 能量存儲(chǔ)裝置石墨烯和石墨烯基材料 導(dǎo)電性好、比表面積高、透明度高、電位窗口寬 ，因此，它們成為能量轉(zhuǎn)換裝置中一種極有前途的電極材料。 石墨烯基材料電極的優(yōu)點(diǎn)已在與能量相關(guān)的電化學(xué)裝置的應(yīng)用中得到證明，如鋰電池（ LIBs ）、太陽能電池、超級(jí)電容器等。2.5 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ Field Effect TransistorFET是利用控制輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件）在大規(guī)模、靈活、低成本電子學(xué)中有潛在的應(yīng)用，因而在過去的數(shù)十年中已引起研究者們的注意。 場(chǎng)效應(yīng)晶體管靠電場(chǎng)效應(yīng)運(yùn)作，這種電場(chǎng)效應(yīng)是一種類型的電荷載流子 （電子或空穴） 通過單一類型的半導(dǎo)體金屬（例，一個(gè)“導(dǎo)電通道” ）從源頭到通道的流動(dòng)產(chǎn)生。石墨烯本質(zhì)上是半金屬或 零帶隙半導(dǎo)體、具有很高的載流子遷移率 , 電子在石墨烯中的傳導(dǎo)速度比硅快很多 , 而且不受溫度的