新型碳材料——石墨烯纳米带中电流分布的经典电路模拟
石墨烯光电子器件的应用研究进展
石墨烯光电子器件的应用研究进展李绍娟;甘胜;沐浩然;徐庆阳;乔虹;李鹏飞;薛运周;鲍桥梁【摘要】自2004年被发现以来，石墨烯因其卓越的光学和电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性，备受学术界和工业界的广泛关注。
作为一种独特的二维原子晶体薄膜材料，石墨烯有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱及极强的非线性光学特性，使其在新型光学和光电器件领域具有得天独厚的优势。
一系列基于石墨烯的新型光电器件先后被研制出，已显示出优异的性能和良好的应用前景。
此外，近期石墨烯表面等离子体激元的发现及太赫兹器件的研究进一步促进了石墨烯基光电器件的蓬勃发展。
综述重点总结近年来石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器以及表面等离子体领域的应用研究进展，并进一步分析目前所面临的主要问题、挑战及其发展趋势。
%Graphene has very significant optical and electronic properties, which attract enormous attention. As a unique two-di-mensional crystal with one atom thickness, it has high electron and thermal conductivities in addition to ? exibility, robustness and impermeability to gases. Its ultra-broad band optical response and excellent non-linear optical properties make it a wonderful material for developing next generation photonic and optoelectronic devices. The fabrication of graphene-based devices is compatible with the existing semiconductor process, which has stimulated lots of graphene-based hybrid silicon-CMOS ( Complementary metal-oxide-semiconductor transistor) applications. Here we review the latest progress in graphene-based photonic and optoelectronic devices, ranging from pulsed lasers, modulators and photodetectors to optical sensors. Other exciting topicssuch as graphene surface plas-mons and their terahertz applications are also discussed.【期刊名称】《新型炭材料》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】28页(P329-356)【关键词】石墨烯;脉冲激光器;光调制器;光探测器;表面等离子体;太赫兹【作者】李绍娟;甘胜;沐浩然;徐庆阳;乔虹;李鹏飞;薛运周;鲍桥梁【作者单位】苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123【正文语种】中文【中图分类】TM9101 前言硅基光电子技术曾被寄希望于能够实现未来的超高速宽带数据通讯，然而，由于硅基器件目前面临着难以进一步微型化、集约化等问题，从而阻碍了其在高速、宽带数据计算和传输领域的应用。
二维纳米材料-石墨烯
1、发现之路
“富勒烯和碳纳米管”的发现可以说是“意外之美”，然而“ 石墨烯”的发现却很曲折。从理论上对石墨烯的预言到实验上 的成功制备，经历了近60年的时间。
1947年，菲利普华莱士(Philip Wallace)就开始研究石墨烯的电子结构。 1956年，麦克鲁(J. W. McClure)推导了相应的波函数方程。
1、发现之路
盖姆在2010年的诺贝尔奖颁奖典礼上回顾了
石墨烯的发展史，认可了前人对薄层石墨的 早期研究工作。其中有部分工作早在20世纪 70年代就已经开始了。
2004年更早一篇关于石墨烯表征的论文
其实，同盖姆和诺沃肖罗夫工作更接近的是 美国乔治亚理工学院的沃尔特德伊尔（Walt de Heer）关于SiC外延生长石墨烯的研究。
1、发现之路
“二维结构”从想象到现实
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，其厚 度为0.335nm，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。电子显微 镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.142nm。
1、发现之路
Mather of all graphitic forms
C60
1、发现之路
在进行理论计算时,石墨烯一直是石墨以及后来出现的碳纳米管 的基本结构单元。但传统理论认为,石墨烯也只能是一个理论上 的结构,不会实际存在。
早在1934年,朗道(L.D. Landau)和佩尔 斯(R. E. Peierls)就指出准二维晶体材料 由于其自身的热力学不稳定性,在常温 常压下会迅速分解。
Байду номын сангаас
石墨烯导电原理
石墨烯导电原理
石墨烯是由碳原子构成的二维晶格结构，具有很特殊的导电性质。
其导电原理可以归结为以下几个方面：
1. π电子结构：石墨烯中的碳原子通过sp²杂化形成了连续的π键网络结构。
这种结构使得石墨烯中的电荷载流子可以沿着二维平面自由移动，形成高度导电的π电子带。
2. 微观特性：石墨烯的二维结构使得其具有了较长的电子平均自由时间和较高的载流子迁移率。
这意味着在石墨烯中，电荷载流子可以以很高的速度自由移动，从而实现高度导电。
3. 零带隙特性：与许多其他材料不同，石墨烯的能带结构呈现出零带隙（或极小的带隙）的特点。
这意味着在零温度下，电荷载流子可以在石墨烯中的任意点上具有连续的能量分布，从而形成了高度导电的能带。
4. Klein隧穿效应：由于石墨烯的零带隙特性，当电荷载流子
遇到能级势垒时，会发生Klein隧穿效应。
在这种效应下，电
子可以以近乎光速的速度穿过势垒，从而实现无阻碍的导电。
综上所述，石墨烯的导电原理可以归结为其特殊的π电子结构、微观特性、零带隙特性和Klein隧穿效应等因素的综合作用。
这些特点使得石墨烯成为一种非常优异的导电材料，在电子学和纳米科技领域具有广泛的应用前景。
新型碳材料的制备及应用
新型碳材料的制备及应用第一章碳材料的概述碳是一种化学元素，丰度第四，拥有多种形态，包括石墨、金刚石、纳米碳管等。
碳材料具有很强的化学和物理性质，因此被广泛应用于许多领域，如电子学、材料科学、化学、医学等。
第二章新型碳材料的制备在现代科技领域中，不断研究和发现新的碳材料制备方法。
新型碳材料具有更高的性能和更广泛的应用范围。
以下是几个新型碳材料制备的例子。
1. 石墨烯制备石墨烯是一种单层碳原子构成的二维材料，具有很高的导电性和机械强度。
石墨烯的制备方法包括机械剥离、化学气相沉积和化学还原等。
2. 碳纳米管制备碳纳米管是碳原子构成的管状结构，具有优异的机械、电学和热学性质。
碳纳米管的制备方法包括化学气相沉积、电化学还原和羟基磷灰石模板法等。
3. 炭材料制备炭材料具有高度的孔隙率和机械强度，可用于催化剂载体和能量存储材料。
炭材料的制备方法包括化学气相沉积、碳化剂法和模板法等。
第三章新型碳材料的应用新型碳材料由于其优异的性能，被广泛应用于电子学、材料科学、化学、医学等领域。
1. 电子学石墨烯和碳纳米管等新型碳材料具有优异的电学性能，可用于电子器件的制造。
石墨烯晶体管是一种新型的高性能晶体管，可用于高速集成电路的制造。
同时，碳纳米管晶体管可用于制造场效应管和单电子晶体管等。
2. 材料科学新型碳材料在材料科学方面的应用十分广泛。
炭材料具有优良的吸附性和孔隙度，可用于催化剂载体和能量存储材料。
同时，石墨烯具有高度的机械强度和导电性，可用于制造复合材料和纳米催化器等。
3. 化学新型碳材料在化学方面的应用也十分广泛。
炭材料和石墨烯可用于染料敏化太阳能电池和光催化反应器等。
同时，碳纳米管可用于制造高效催化剂，用于石油加工和制药等方面。
4. 医学新型碳材料在医学方面的应用也有很大的潜力。
石墨烯和碳纳米管等具有生物相容性。
石墨烯和碳纳米管可以作为药物载体和生物传感器，用于制造新型的肿瘤治疗和生物分析检测仪器等。
第四章总结新型碳材料由于其优异的性能，被广泛应用于电子学、材料科学、化学、医学等领域。
石墨烯的制备及电化学性能研究
目录摘要 (I)Abstract ......................................................................................................................... I I 1 引言 (1)1.1 石墨烯的制备 (2)1.1.1 机械剥离法 (2)1.1.2 电化学剥离法 (2)1.1.3 化学气相沉积法 (3)1.2 石墨烯电极材料的制备 (5)1.3 石墨烯电极材料电化学性能测试 (5)2 实验部分 (6)2.1 实验试剂 (6)2.2 实验仪器 (6)2.3 RHAC和GQDs的制备 (6)2.4 RHAC-GQDs的制备 (6)2.5 电极制备和电池组装 (7)3 结果和讨论 (8)3.1 分析了RHAC的比表面积和孔隙结构 (8)3.2 GQDs的拉曼光谱和荧光光谱分析 (8)3.3 红外光谱分析 (8)3.4 XRD分析 (8)3.5 扫描电镜分析 (9)3.6 循环伏安法测试分析 (9)3.7 恒流充放电试验分析 (9)3.8 电化学阻抗分析 (10)4 结论与展望 (12)4.1 结论 (12)4.2 主要创新点 (12)4.3 展望 (12)参考文献 (13)致谢............................................................................................ 错误!未定义书签。
摘要石墨烯由于其十分优异的电学、热学和机械性能及优良的透光率、比表面积大等优势而广泛的受到人们追捧。
尤其是在2004年成功制得稳定存在的石墨烯之后，更是兴起了一股研究石墨烯的潮流。
如何成本低廉、面积大、数量丰富、质量优异的制备石墨烯，并将其应用在实际生产中是研究人员努力的目标。
本文主要对这几年中一些改善的或新的石墨烯的制备方法以及其电化学性能做了综述，从中可以看到石墨烯在电学方面存在巨大的发展潜力。
新型碳材料及其应用领域
新型碳材料及其应用领域碳是一种重要的元素，不仅在地球上广泛分布，而且在我们日常生活中有着重要作用。
近年来，随着材料科学和技术的不断发展，新型碳材料逐渐引起人们的关注。
本文将介绍新型碳材料以及其应用领域。
1. 什么是新型碳材料？新型碳材料是指由碳元素组成的材料，具有新的结构和性质。
新型碳材料主要包括石墨烯、碳纳米管、碳纤维和碳纤维增强复合材料等。
这些材料具有很高的强度和硬度，优异的导电性、导热性和光学性能，广泛应用于电子、航空航天、医疗和环境保护等领域。
2. 石墨烯的应用领域石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体结构，厚度只有一个原子层，有着优异的机械、电学、光学和热学性质。
石墨烯的应用领域广泛，例如电子器件、光电器件、传感器、能源储存和生物医学等领域。
在电子器件方面，石墨烯能够实现高速电子传输，可以用于制作高性能晶体管、互连线和电容器等元件。
在光电器件方面，石墨烯的光学特性十分独特，可以制作出高效率光电探测器、太阳能电池和光学调制器等元件。
此外，石墨烯还可以用于制作传感器，例如气体传感器、湿度传感器和生物传感器等。
3. 碳纳米管的应用领域碳纳米管是由碳原子组成的管状结构，具有轻量化、高强度、高导电性和高导热性等优异性能。
碳纳米管被广泛应用于电子、机械、能源和生物医学等领域。
在电子领域，碳纳米管可以用于制作高性能场效应晶体管、逻辑门、存储器和单电子转移器等元件。
此外，碳纳米管还可以用于制作热电元件，利用其高导电性和高导热性，实现高效率的热电转换。
在机械领域，碳纳米管可以用于制作高强度的复合材料和纳米机械零件。
在能源和生物医学领域，碳纳米管还具有广泛的应用前景。
4. 碳纤维的应用领域碳纤维是一种由碳原子组成的纤维状材料，具有轻量化、高强度和高模量等性能。
碳纤维被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材和医疗器械等领域。
在航空航天领域，碳纤维被广泛应用于飞机、卫星、导弹和火箭等领域，用于制作结构件和外壳等。
在汽车领域，碳纤维可以用于制作轮圈、车身部件和刹车盘等，可以大幅降低车辆重量，提高燃油经济性。
材料科学中的新型材料——石墨烯量子点
材料科学中的新型材料——石墨烯量子点石墨烯是一种由碳原子组成的单层薄片材料，具有独特的电学、热学和力学性质。
而石墨烯量子点，则是一种由数百个碳原子构成的零维材料，也称为碳量子点。
石墨烯量子点具有非常小的尺寸，通常在5-50纳米之间，因此具有许多独特的性质，使其成为材料科学中的新型材料。
本文将介绍石墨烯量子点的制备、结构、性质和应用。
一、制备方法石墨烯量子点的制备方法通常有两大类：顶部向下剥离法和底部向上生长法。
顶部向下剥离法是通过化学氧化或机械剥离的方法，从石墨烯材料中剥离出小尺寸的石墨烯量子点。
底部向上生长法则是将小分子碳源的分解产物在合适的条件下生长成石墨烯量子点。
这两种方法各有优劣，具体情况应根据实际需求选择。
二、结构和性质石墨烯量子点的结构和性质与其尺寸有着密切的关系。
一般来说，石墨烯量子点的表面能和光学性质随着尺寸的变化而发生改变。
对于小尺寸的石墨烯量子点来说，其表面积较大，通常会出现更高的物理、化学反应活性，因此具有更加丰富的应用前景。
此外，石墨烯量子点还具有独特的光电性质和发光性质，可用于开发新型的光电子器件。
三、应用前景石墨烯量子点在材料科学领域中具有广泛的应用前景。
一般来说，其应用可以分为几个方面：1、作为染料敏化太阳能电池的光电转换材料，提升光电转换效率。
2、作为催化剂的载体，能够提升催化剂的稳定性和催化性能，用于生产化学品或环境净化。
3、用于制造二维/三维材料的纳米复合材料，这些材料具有优异的电、磁、光学和机械性能。
4、作为生物染料分子，可用于细胞成像和药物传递。
总之，石墨烯量子点以其独特的结构和性质，在许多领域中如催化、能源、光电子器件、生物医学等方面都有着潜在的应用价值。
然而，石墨烯量子点还有许多问题需要解决，如制备方法的改进、结构和性质的优化等，这些问题的解决将会进一步推动其应用领域的扩展。
结语石墨烯量子点作为新型材料，展现出了非常广泛的应用前景，尤其在能源、催化、生物医学等领域应用广泛。
新型碳材料的研究与制备进展
新型碳材料的研究与制备进展碳素是一种非常重要的天然元素，它的形态众多，而其中一种新型碳材料——石墨烯，被誉为“21世纪的材料之王”。
在石墨烯之外，还有许多新型碳材料值得我们关注和研究。
本文将针对新型碳材料的研究与制备进展进行探讨。
一、碳纳米管碳纳米管是一种碳基材料，以纳米级别的直径和非常高的长度-直径比例为特征。
由于其独特的性质，比如高强度、轻质、导电性和热传导性，碳纳米管在多个领域得到了广泛应用，如能源、纳米电子学、生物医学和纳米材料等。
目前，碳纳米管的制备方法主要有化学气相沉积、电弧放电、激光热凝聚和化学还原等。
二、纳米多孔碳材料另一种新型碳材料是纳米多孔碳材料。
这种材料中的碳素分布在高度互连的小孔之间，具有极高的孔隙度和表面积。
由于此类材料具有具有很好的化学稳定性、催化活性和吸附分离能力，其在催化、电化学能量存储和分离纯化等领域有着潜在的应用价值。
目前的纳米多孔碳材料制备方法主要有溶胶-凝胶法、聚合物泡沫模板法、硬模板法和软模板法等。
三、薄层碳材料薄层碳材料是一种非常薄的碳材料，通常厚度在纳米级别以下。
由于其独特的性质，如良好的导电性和透明性，这种材料在多个领域得到了广泛应用，如透明电极、薄膜太阳能电池、柔性电子学和传感器等。
目前，薄层碳材料的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积法和物理气相沉积法等。
四、石墨烯石墨烯是由一层碳原子构成的二维结构。
由于其独特的物理和化学性质，石墨烯在多个领域受到越来越多的关注，如能源储存、生物医学和电子学等。
目前，石墨烯的制备方法主要有化学气相沉积法、机械剥离法和还原氧化石墨烯法等。
总之，随着时间的推移，新型碳材料的研究和制备进展迅速，越来越多的新型碳材料被发现和应用。
这些具有特殊结构和独特性能的新型碳材料受到广泛关注，也为我们的未来提供了更多的可能性。
碳纳米管和石墨烯的制备和应用
碳纳米管和石墨烯的制备和应用近年来，碳纳米管和石墨烯作为纳米材料的代表，备受人们的关注。
这两种材料具有独特的结构和性质，在电子、光学、力学等领域有着广泛的应用前景。
本文将从碳纳米管和石墨烯的制备方法入手，探讨它们在不同领域的应用。
一、碳纳米管的制备碳纳米管是由碳元素构成的空心圆柱形结构，具有优异的力学、导电性和导热性能。
目前，碳纳米管的制备方法主要有热解法、化学气相沉积法、电化学法等。
其中，热解法是最早发现并用于碳纳米管生长的方法。
该方法的原理是在一定温度下，将一定的碳源（如甲烷、乙炔等）和催化剂（如金属镍、铁、钴等）放入反应釜中，通过化学反应得到碳纳米管。
该方法制备的碳纳米管品质较高，但操作复杂，设备成本高。
化学气相沉积法是目前常用的制备碳纳米管的方法之一。
该方法在高温和高压的条件下，将碳源和催化剂引入反应釜，形成气相反应，得到碳纳米管。
该方法制备的碳纳米管品质较好，且操作简单，设备成本相对较低。
电化学法是新近发展的一种碳纳米管制备方法。
该方法利用电化学过程，在特定电位下，通过碳源电解得到碳纳米管。
该方法制备的碳纳米管品质较好，且操作简单，设备成本也相对较低。
二、碳纳米管的应用碳纳米管具有优异的力学和电学性能，因此在电子、传感、能源等方面有广泛的应用。
1.电子领域碳纳米管具有比硅和铜更好的导电性和导热性，在微电子器件中有着广泛的应用。
例如，碳纳米管晶体管具有高电流开关和系统响应速度，可以用于高速数据处理和通信系统。
2.生物传感和药物输送领域碳纳米管的比表面积大、生物相容性好、生物荧光性强等优点，使得其在生物传感和药物输送领域有广泛的应用。
例如，利用碳纳米管在胶体中的性质，可以制备高度灵敏的生物传感器和药物递送系统。
3.能源领域由于碳纳米管具有高导电性和导热性能，可以用于制备高效的电池、超级电容器、太阳能电池等。
例如，采用碳纳米管作为电极材料，可以制备高性能的锂离子电池。
三、石墨烯的制备石墨烯是由碳元素构成的单层蜂窝状结构，具有极高的强度和导电性。
新型碳材料的发展
新型碳材料的发展近年来，随着科技的不断进步和人类对材料性能要求的提高，新型碳材料的研究和发展日益受到人们的关注。
新型碳材料具有独特的物理、化学和电子性质，被广泛应用于能源储存、环境治理、电子器件等领域。
在本文中，我将就新型碳材料的分类、制备方法以及应用领域进行详细阐述。
首先，新型碳材料可以分为二维碳材料、石墨烯、纳米碳管和仿生碳材料等几类。
二维碳材料是指具有单原子厚度的碳材料。
其中最为著名的就是石墨烯，石墨烯由一个由碳原子组成的二维晶格结构构成，具有极高的导电性和热传导性。
纳米碳管是由碳原子组成的空心圆柱结构，具有优异的力学性能和电子输运特性。
仿生碳材料是利用自然界中的生物体形成的碳材料。
这些不同类型的新型碳材料，在结构和性能上具有独特的优势，为未来的应用提供了广泛的可能性。
新型碳材料的制备方法多种多样。
其中最常见的方法是化学气相沉积、热处理和激光剥离法等。
化学气相沉积是通过控制气相中碳源的供应和反应条件来制备碳材料。
热处理是指通过高温处理来改变碳材料的晶体结构和物理性质。
激光剥离法是利用激光束来剥离碳原子，从而制备出具有特定结构的碳材料。
通过不同的制备方法，可以得到具有不同形貌和性能的碳材料，以满足不同领域的需求。
新型碳材料在能源储存、环境治理和电子器件等领域有着广泛的应用。
在能源储存领域，新型碳材料被用作锂离子电池和超级电容器的电极材料，可以实现高电容量和长循环寿命。
在环境治理领域，新型碳材料被用作吸附剂和催化剂，可以高效地去除废水和废气中的有害物质。
在电子器件领域，新型碳材料被用于制备柔性显示器和传感器，可以实现高分辨率和快速响应。
新型碳材料的广泛应用为解决能源和环境问题，推动电子器件的发展提供了新的途径。
总结起来，新型碳材料具有独特的结构和性能，为未来的科技发展提供了巨大的潜力。
通过不同制备方法的研究和改进，新型碳材料的性能不断得到提升，为其在能源储存、环境治理和电子器件等领域的应用提供了更多的可能性。
碳纳米管和石墨烯简介
柔性传感器
石墨烯的高灵敏度和柔韧性可用 于制造柔性传感器，可应用于医
疗、环境监测等领域。
传感器领域
气体传感器
石墨烯对气体分子的高灵敏度可用于制造高灵敏度的气体传感器 ，可应用于环境监测、工业过程控制等领域。
生物传感器
石墨烯的生物相容性和高导电性可用于制造生物传感器，可应用于 医疗诊断、生物分子检测等领域。
碳纳米管可作为药物载体，实现药物 的定向输送和缓释。
05 石墨烯应用前景
柔性电子器件领域
柔性显示屏
石墨烯的高导电性和柔韧性使其 成为制造柔性显示屏的理想材料 ，可应用于手机、可穿戴设备等
。
柔性电池
石墨烯的高导电性和大面积制备 能力使其成为制造柔性电池的关 键材料，可应用于可穿戴设备、
电动汽车等领域。
制备方法
机械剥离法
化学气相沉积法（CVD）
氧化还原法
液相剥离法
利用胶带反复剥离石墨片层， 得到单层或多层石墨烯。此方 法简单易行，但产量低且尺寸 难以控制。
在高温下，利用含碳气体在金 属基底上催化裂解生成石墨烯 。此方法可制备大面积、高质 量的石墨烯，但需要高温高压 条件，成本较高。
通过化学方法将石墨氧化成氧 化石墨，再经过还原处理得到 石墨烯。此方法产量较高，但 所得石墨烯缺陷较多，性能较 差。
激光烧蚀法
使用高能激光脉冲照射石 墨靶材，使石墨蒸发并在 惰性气体中冷凝形成碳纳 米管。
02 石墨烯概述
定义与结构
石墨烯定义
石墨烯是一种由单层碳原子以sp2杂化方式形成的二维材料，具有蜂窝状晶格 结构。
原子结构
石墨烯中的每个碳原子都与周围三个碳原子通过σ键相连，形成稳定的六边形网 格。剩余的π电子在垂直于平面的方向上形成离域大π键，赋予石墨烯良好的导 电性。
石墨烯-最终版PPT课件
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15
氧化石墨还原法——低质高产
石墨 氧化
氧化石 墨
超声剥离
氧化石 墨片
还原
.
石墨烯
16
特点
优势：成本低廉，工艺简单，已经实现大规 模量产。含氧基团的存在使得石墨烯容易分 散在基体中，更容易和其他物质结合，便于 制造复合材料。
劣势：纯度较低，制成的石墨烯片存在大量 结构缺陷，易发生褶皱或折叠，带有许多含 氧基团，影响了石墨烯的优良性质，无法满 足一些应用领域的需要，如光电器件，储氢 材料等。
cvd法日趋成熟有望在510年实现应用用于导电散热等领域拥有含氧基团应用于药物监测催化剂等特殊领域24石墨烯电子材料领域重点领域透明电极太阳能电池柔性屏幕可穿戴设备电子材料领域重点领域透明电极太阳能电池电池负极材料替代硅的芯片材料柔性屏幕可穿戴设备散热材料领域等设备的散热问题散热材料领域解决手机计算机等设备的散热问题进一步提升性能环保监测领域方面表现优异环保监测领域功能化石墨烯及石墨烯复合材料在污染物吸附过滤方面表现优异生物医学领域石墨烯在细胞成像生物医学领域石墨烯在细胞成像干细胞工程等生物纳米技术领域有着广泛的应用前景
背景
集成电路制造技术不断改进，极紫外光刻的引入， 将特征尺寸大幅度减小，下一代硅基集成电路的 特征尺寸将达到15甚至10nm以下。随之而来的 短沟道效应和介质隧穿效应等的影响，以及制造 难度的提升，将很难得到特征寸小于10nm的性 能稳定的电路产品。所以急需研究开发基于新材 料、新结构和新工艺的器件。
B. H. Hong研究组进一步发展该 法, 制备出30英寸的石墨烯膜,透 光率达97.4%。
N. P. Guisinger组的研究表明:石墨 烯的生长始于石墨烯岛，具有不同的 晶体取向,从而导致片层的结合处形 成线缺陷。
石墨烯和纳米碳材料的导热性能的研究
石墨烯和纳米碳材料的导热性能的研究Alexander A. Balandin近年来，在科学领域和工程领域，人们越来越多地去关注导热性能好的材料。
散热技术已经成为电子工业持续发展的一个重要的话题，低维结构的材料在热传导方面显示出了优异的性能。
就导热能力而言，碳的同素异构体及其衍生品占据了举足轻重的地位。
在室温下的碳材料的导热系数跨越了一个非常大的范围——超过了五个数量级——从导热系数最低的无定型碳到导热系数最高的石墨烯和碳纳米管。
在这里，我回顾一下以石墨烯碳材料为热点的最近热性能的研究成果，碳纳米管和纳米级的碳材料在研究方面遇到了不同程度的难题。
在二维晶体材料方面，尤其是石墨烯，人们非常关注尺寸对热传导的影响。
我也描述了石墨烯和碳材料在电子传热机理上的应用前景。
实际生产应用和基础科学的发展表明了材料热性能研究的重要性。
由于功耗散热水平的提高，导热技术已经成为电子工业持续发展的一个非常重要的热点。
对导热性能非常好的材料的研究严重影响着下一代集成电路和3D 电子产品的设计进程。
在光电子和光子设备领域我们也遇到了类似的需要导热处理的问题。
另外，电热能量转换技术需要材料具有很强的抑制热扩散的能力。
材料的导热能力由其电子结构决定，所以一种材料热性能原理可以描述另外一种材料的热性能现象。
材料热性能的变化只是在纳米尺度上变化。
由于声子散射边界的增多或者声子色散的变化，纳米管和大多数晶体将不再传热。
同时，对二维和一维晶体的热传导理论的研究解释了材料内在优异的热传导性能的原因。
二维晶体导热性能的差异意味着不像非晶体那样，它恢复材料的热平衡不能仅仅靠晶体的非简谐振动，因为这不但需要限制系统的尺寸，而且还需要掺杂进非晶体结构，这样才能符合热传导性能的物理意义。
这些发现引发了在低维系统中对傅里叶定律的实用性的非议。
碳材料具有非常多的同素异构体，在热性能方面占据了举足轻重的低位（如图，1a ）。
碳材料不同的同素异构体的热传导率跨越了很大的一个范围——五个数量级——非晶碳的热导率为0.01W . mK −1，在室温条件下金刚石或者石墨烯的热导率为大约2000W. mK−1。
石墨烯纳米带p-n结的电子输运特性
第３ 期
清 远 职 业技 术 学 院学 报
Ｊｕ ｌｏ ｉ ｙ ａ ｏ ｔｃｎｃ ｏｍａ ｆＱｎ ｕ ｎＰ ｌ ｅｈ ｉ ｇ ｙ
Ｖｏ． ， Ｎｏ ３ １５ ．
２ １ 年 ６月 ０２
Ｊｎ ２ １ ｕ．０２
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
石墨烯 纳米 带 ｐ ｎ结的 电子输 运特 性 －
杨 谋
（ 华南师范大学物理与电信工程学院 广东广州 ５ ００ ） １０ ６
作者简介： 杨谋（９ ４ ） 男， １ ７ － ， 湖南常德人 ， 讲师 ， 博士后， 究方向 ： 研 介观微 结构的能谱计算和 电子输运 。
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第 ５ 卷
清远职业技术学院学报
石墨烯纳米带 ｐ ｎ － 节中 ，横向本征量子数是好的 量子数 ， 而纵 向波矢不是 。 设想当电子 以某一能量 Ｅ＜ ／ 从 Ｐ区入射时 ，处 于第 ｎ 空穴横 向模 Ｖ２ 个 式。 在它向前传播的过程中 ， 能量是守恒的。 随着 ｐｎ势 的 改 变 ， 致 波 矢 会 不 断 减 小 ， 是 ， － 导 但 粒子 所处的横 向模式 数不会改变 ， 仍处于第 ｎ 个模式。 波 矢 的不 断 改变 ， 得 必 然存 在 某一 位置 ， 使 使得 传 播波矢减小到 ｋ ０ ＝ 。电子要继续传播 ， 只能通过量 子隧穿跳到 ｎ区第 ｎ个 电子横向模 式继续传播 。 这个隧穿模式对模 式 的选择 必然是从 ｎ到 ｎ 而 ， 不会是其它可能， 因为只有这样才能保证波函数
扫 过一 个 个横 向子 带 的本 征 能量 。随着费 米能 的
其 中， ｊ Ｖ 是第 ｉ 个格点上 的势 ， 是第 ｉ 个格点上 的 消灭（ 产生 ） 算符 ， 第一个求和遍及整个计算区域 ， 第二个求和遍及所有最近邻相互作用 ，是最近邻 ｔ 相互作用强度。 从紧束缚哈密顿出发 ， 我们构造 了 左右 电极 的 自能矩阵和线宽 函数矩 阵， ｒＩ ｒ 和 － ， 然后将 电极 的 自能影响计人过渡区，形成 中心 区 的推迟和超前格林 函数 矩阵 ， ‘ Ｇ ，再 由格林 Ｇ和 函数矩阵和线宽矩 阵计算电子的透射率 ，从而得
电化学法制备石墨烯及其导电特性
鉴于离子液体或聚电解质合成较为复杂 ， 副产物的分离较为困难 ， 本文采用廉价 的硫酸钠溶液作 为 电解质 ， 通过 电化 学方法 制备 石墨烯 ， 得石 墨烯可 以在 Ⅳ， 一 甲基 甲酰胺 （ ＭＦ 、 甲基 吡 咯烷 所 Ⅳ二 Ｄ ） Ｎ一 酮 （ ＭＰ 或 Ｄ Ｎ ） ＭＦ和 Ｎ ＭＰ与水 的混 合溶 剂 中稳 定分 散 ， 制备 过程 较为 绿色 环保 ．对石 墨烯 的形貌 和 结
与 ｓ 杂化碳 原子 在布里 渊 区 中心 的 Ｅｇ ｐ ２ 声子 振动 有关 ．无 序 引起 的 Ｄ峰与 Ｅｇ 动模 引起 的 Ｇ峰强 度 ２ 振 比 ，／。 。，可用来 表征 材料 的无序性 ． 图 ３为石 墨和 电化学方 法制 备 的石 墨烯 的拉 曼 光谱 ．从 图 ３谱线 口可 以看 出 ，在 ５０～１０ ｍ ０ ８０ｅ 范 围 内石 墨 的 Ｄ峰非 常弱 ， Ｉ ＝ ．６ ，／Ｇ ００ ，仅存 在 一 个位 于 １８ ｍ ５０ｅ 的尖而 强 的吸 收 峰 （ 峰 ） Ｇ ，即 由 无序结 构 引起 的第二个 拉曼 峰 强度 极低 ，说 明石 墨 无 序结构 所 占 比例 非常 小 ， 构 较 为规 整 ．与 石 墨 结
体 １辛 基．一 ． ． ３甲基 咪唑六 氟磷 酸盐等 作为 电解 液 ，将 ２根 石 墨 电极分 别 置 于 电解 槽 的 阳极 和 阴极 ，加 １ ２ ０～ ０Ｖ的稳压 直流 电源 于正负 电极 ， 墨被功 能化并 逐 渐剥 离得 到 石 墨烯 ．Ｗａ ｇ等¨ 石 ｎ 以聚苯 乙烯 磺酸 钠溶液 作 为离子 电解液 ，高纯石 墨棒作 为正 负 电极 ， 直流 电解制 得石 墨烯 ．
ｌ０ ８６
高 等 学 校 化 学 学 报
Ｖ １３ ｏ．３
２ ３ 拉曼 光谱 分析 ．
石墨烯的导电原理
石墨烯的导电原理
石墨烯是由碳原子按照六边形排列形成的单层二维晶体结构。
其导电原理可以从两个方面来解释。
首先，石墨烯的导电性主要源自碳原子的电子结构。
碳原子有四个价电子，而石墨烯中每个碳原子只与其周围三个碳原子形成共价键，剩余的一个价电子呈自由电子状态。
这些自由电子可以在石墨烯中自由移动，形成电流。
由于石墨烯是单层结构而无禁带宽度限制，其导电性非常高。
其次，石墨烯的导电性还与其特殊的带电载体输运机制有关。
在石墨烯中，由于强关联效应和零质量费米子特性，带电载体的输运表现出非常特殊的行为。
石墨烯的载流子（电子和空穴）被描述为狄拉克费米子，其运动方式类似于相对论性粒子，具有线性色散关系。
这种特殊的输运机制使得石墨烯在高速电子器件中具有优异的性能。
总结起来，石墨烯的导电原理可以归结为碳原子的电子结构和带电载体输运机制两个方面。
这使石墨烯成为一种极具潜力的材料，在电子器件、导电材料等领域具有广阔应用前景。
原子层沉积石墨烯薄膜的制备及其电学性能分析
原子层沉积石墨烯薄膜的制备及其电学性能分析石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维薄膜，具有卓越的电学、光学、力学和热学性能，被视为下一代电子器件的重要材料之一。
石墨烯的制备方法有很多，其中原子层沉积是一种有效的方法，它可以在晶体表面上控制单层薄膜的生长，使其具有更好的结晶性和均匀性。
本文将介绍一种基于原子层沉积的石墨烯薄膜制备方法，并对其电学性能进行分析。
一、原子层沉积的石墨烯制备方法1. 制备基底首先要选择适合石墨烯制备的基底，一般采用单晶体硅作为基底。
将硅基片进行清洗处理，除去表面的有机物、粉尘等杂质，然后用氢气等离子体将表面进行去氧化处理，使基底表面呈现出亲水性。
2. 沉积金属薄膜在清洗好的硅基片表面，沉积一层金属薄膜，一般采用镍或铜金属，以作为石墨烯的催化剂。
金属的沉积可以采用电极沉积、热蒸发或磁控溅射等方式。
3. 催化剂活化将沉积好金属薄膜的硅基片放入化学气相沉积(CVD)反应器中，在高温下进行催化剂活化。
将催化剂暴露在氢气或甲烷等气体的作用下，形成一层碳化物或碳纳米管。
这些碳纳米管可以作为石墨烯的种子晶体，在后续的沉积过程中起到重要作用。
4. 石墨烯沉积在催化剂活化好的硅基片上，沉积一层石墨烯。
我们可以采用CVD方法，在反应器中加入甲烷等石墨烯前体气体，在高温下进行反应。
石墨烯会在催化剂上生长，形成单层的石墨烯薄膜。
二、石墨烯薄膜的电学性能分析探究石墨烯的电学性能是石墨烯研究的重要方向之一。
石墨烯的导电性强，穿过石墨烯薄膜的电流密度可以达到约2.5×10^8A/cm2，反映了石墨烯具有极高的载流子迁移率和极低的电阻率。
1. 电场效应石墨烯的电学性能受到电场效应的影响。
通过在石墨烯上施加电压，可以改变石墨烯晶格中碳原子之间的电子分布，从而调节石墨烯的电学性质。
研究表明，在强电场作用下，石墨烯内的电子将发生定向运动，形成电场效应管道，这种现象被称为Klein隧道效应。
2. 纳米带电极研究人员发现，通过在石墨烯薄膜上用电子束刻蚀技术制造微米尺寸的纳米带电极，在两个电极间加电压，可以产生独特的输运物理现象。
zigzag型石墨烯纳米带输运性质及其边界态研究的开题报告
zigzag型石墨烯纳米带输运性质及其边界态研究的
开题报告
石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有高电子迁移率、良好的热传导性能和强韧性等优异的特性，在微电子、光电器件等领域具有广泛的应用前景。
石墨烯纳米带是石墨烯在一定方向上被限制成条状结构，它具有一些新的物理性质，如量子纵向共振和边缘态效应。
本文将着重研究zigzag型石墨烯纳米带的输运性质及其边界态，探究其在纳米电子器件中的应用。
具体内容包括以下几个方面：
1. Zigzag型石墨烯纳米带的结构和基本性质：介绍zigzag型石墨烯纳米带的结构、几何形状等基本特征，并探究其在纳米器件中的应用前景。
2. Zigzag型石墨烯纳米带的能带结构：分析zigzag型石墨烯纳米带的能带结构，探究其导带与价带的性质。
3. Zigzag型石墨烯纳米带的输运性质：通过密度泛函理论（DFT）计算、多体紧束缚模型（TB）等方法，研究zigzag型石墨烯纳米带的输运性质，如电导率、霍尔电导和电子迁移率等。
4. Zigzag型石墨烯纳米带的边界态：探究zigzag型石墨烯纳米带的边缘态，包括其形成机制、能量、密度分布等，并研究其在纳米器件中的应用前景。
通过对zigzag型石墨烯纳米带的结构、基本性质、能带结构、输运性质和边界态的研究，可以为其在纳米电子器件中的应用提供一定的理论基础。
石墨烯电磁仿真模型
（二） 石墨烯电磁仿真模型能准确仿真石墨烯传输线的准确电磁模型，对石墨烯进行精确几何建模，建立石墨烯的准确电磁仿真模型，能对石墨烯进行准确电磁特性分析。
完成了对石墨烯电磁特性的理论分析，完成了对石墨烯电磁建模研究工作，建立了石墨烯的准确电磁仿真模型，并对石墨烯进行了准确电磁特性分析。
下面对以上工作作简要介绍。
（1）石墨烯理论分析对于石墨烯来说，电导率是它的一个重要指标。
根据Kubo 公式，可以推出石墨烯电导率是频率、温度、弛豫时间、费米能级的函数，具体表达式如下：2220220(2)1()()(,,,)(2)()(),(2)4(/)d d c d d je j f f T d j f f d j ωεεσωμεεπωεεεεεωε∞∞⎡-Γ∂∂-⎛⎫Γ=- ⎪⎢-Γ∂∂⎝⎭⎣⎤---⎥-Γ-⎦⎰⎰ (1) 其中ω为工作频率，Γ为散射率，T 为温度，c μ为化学势，e 为电子能，/2h π=为约化的普朗克常数，()/1()(1)c B k T d f e εμε--=+为费米-狄拉克分布函数，B k 为波尔兹曼常数。
化学势与载流子密度有关，可以通过电压、电场、磁场或者化学掺杂控制。
石墨烯的一个很重要的特性是其通过控制化学势，电导率的虚部可以为正数或负数。
假设exp()i t ω-时谐变化，根据0H J i E ωε∇⨯=-可以得出∆厚的石墨烯满足的Maxwell 方程为,0()g v H i E σωε∇⨯=-。
从而我们可以得出出石墨烯等效介电常数,g eq ε与电导率,,g g r g i i σσσ=+的关系为,,,0g i g r g eq i σσεεωω≡-++∆∆。
因为石墨烯很薄0∆→，因此，可以进一步简化为1,,,,Re()Im()g i g eq g rg eq σεωσεω⎧-⎪⎪∆⎨⎪≡⎪∆⎩ (2)（2）石墨烯电磁仿真模型建模方法一：CST 中设置阻抗材料根据等效电路理论，如图7所示，石墨烯可以等效为并联阻抗，因此，可以设置石墨烯材料为一阻抗表面，其表面电阻可以根据石墨烯的电导率计算得出，然后用CST 频域求解器求解。
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新型碳材料——石墨烯纳米带中电流分布的经典电路模拟
作者：丁启维
来源：《科学家》2017年第22期
本文主要探讨使用基尔霍夫定律设计程序计算任意形状的石墨烯加上电源后的电流分布，经过验证后发现，用经典方法模拟石墨烯电流分布规律与用量子物理计算方法得出的电流的整体分布规律基本一致，为设计符合要求的石墨烯带提供重要的参考意义。
近些年来，碳基纳米材料备受科学界关注，包括零维的富勒烯，一维的碳纳米管，二维的石墨烯以及三维的石墨。
2010年，诺贝尔奖授予了英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授，因为其首次通过机械剥离获得了可以稳定存在的石墨烯。
石墨烯是碳原子的单原子层，它的基本结构单元是有机物中十分稳定的苯六元环，其电学性质、力学性质及导热性能等都是已知的材料中最好的，在新能源、新材料、电子元器件、信息技术、医药及航空航天等多个科技领域获都有潜在的应用价值，是现在最理想的二维纳米材料之一。
研究背景
石墨烯有着优秀的电学特性：它是一个零带隙的半导体，这种特殊的能带结构使它有着与其他材料不同的传输性能，其载流子迁移率可达200 000cm2/V·s。
因此其室温电阻率最低，在电器元件制作方面应用前景巨大。
但是在制作元器件时经常需要印制特殊形状的石墨烯带，为了使电流电压分布更合理，满足需求，需要在印制前就计算好、设计好石墨烯带。
本文主要探讨使用基尔霍夫定律设计程序计算任意形状的石墨烯加上电源后的电流分布，为设计石墨烯带提供参考。
研究内容
石墨烯结构如图1所示，电子在石墨烯中定向移动时，正常状态下会有阻力的存在，阻力主要来自于碳碳键，因此可以把石墨烯看作电路，把原子和碳碳键等效为定值电阻，并使用基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律对其进行模拟。
基尔霍夫电流定律（KCL）：在任一瞬间，流向任一节点的的电流等于流出该节点的电流。
基尔霍夫电压定律（KVL）：在任一瞬間，对任一闭合回路，沿回路绕行方向上各段电压代数和等于零。
如图2、图3所示，以两个环和五个环的石墨烯结构为例进行验证，将左边两点P21、P41的电势设为3V，右边两点P22、P42的电势设为0V，每个键的电阻值R设为1Ω，列出KVL 和KCL的方程组，并根据欧姆定律列出边界条件方程组，得出的结果验证了对称性。
研究方法
设计程序主要思路如下。
计算方法
将碳碳键的电流设为未知数，根据KVL、KCL和边界条件列方程。
KVL方程：为了方便计算，把电压和为零的方程变成电流和为零的方程，当电流从序号小的点流向序号大的点时，我们定义电流值为正，若相反，则电流值为负，每一个正六边形都对应一个KVL方程，所以方程为：
0=（In+Im+……）R （1）
KCL方程：每一个电路中的碳原子设为一个节点，以c为节点，def为与c相邻的三个节点，若节点数小于三则电流自动为零；流入c的电流设为负，流出c的电流设为正，每一个碳原子都对应一个KCL方程，所以方程为：
0=Ic-e+Ic-d+Ic-f （2）
边界条件方程：任取一个接入电压的点与其他接入电压的点分别连最短路线，并将这一连线带入欧姆定律，即有g个接上电压的碳原子，就有g-1个方程组，所以方程为：
Uij=（Ii-h+……+Il-j）R （3）
特殊情况说明：当出现石墨烯带中空时，方程组无法求解。
如图4所示，当石墨烯碳带中间少一个碳原子（49号）时，也就是少了3个未知数（电流I48-49，I49-60，I49-38），与
此同时少了3个KVL方程（3个正六边形的KVL方程）和一个KCL方程（49号碳原子的KCL方程）。
这就导致方程组的数量比未知数少一个，无法求解。
此时需要手动添加一个以原来3个KVL方程的六边形组合形成的空洞KVL方程（点26，27，37，38，39，48，50，59，60，61，70，71围成的环的KVL方程），这样才能继续求解。
使用设置
点击选点，将选择的六边形涂色，并将六个点的序号输出，相邻六边形的公用点只添加一次，当所需石墨烯的点构不成六边形时，可以手动输入点。
自动设置接入电压的碳原子，高电压点涂蓝色，低电压点涂绿色，不接电压的碳原子点涂红色。
接入电压的碳原子序号同样可以手动输入，并且每个碳原子都可以给定不同电势。
自动输出所有键的电流大小，再通过电流计算各碳原子的电势大小。
程序编制
程序的设计思路
画图选点，绘制石墨烯坐标图（石墨烯带的长宽，即正六边形个数可通过调节x、y值调节）；
给每个点和正六边形编号；
设置程序，点击正六边形时，正六边形自动上色，并将其6个顶点选中；
当关闭窗口时输出已选点序号；
计算：
输入第一部分输出的碳原子序号，将其安置在已编号的石墨烯坐标图上，通过计算距离，自动判断是否连接；
自动将最左端设为高电势端并涂为蓝色，右端电势设为0并涂为绿色；
每一个正六边形列出一个KVL公式，每个点列出一个KCL公式，任选一电势点与其他电势点分别连接，列出n-1个边界条件方程；
流分布自动解出各个键上的电流和各个节点的电压。
结果分析
用程序计算只含两个六元环的石墨烯电流分流规律，石墨烯结构如图5所示。
结论与展望
通用性
代码可以识别.xyz格式的文件，将点自动画好，并通过计算距离自动连接相邻碳原子。
同时还可以找到不构成回路-即电流为零的点，并自动删除，有利于与量子计算结果接轨。
可视化
在输出数值的同时可以生成电流分布的效果图，箭头方向为电流方向，箭头粗细为电流的相对大小。
研究结论
请中科院物理所的吕文刚老师使用量子物理的计算方法进行计算，使用的计算公式如下：
经对比可发现，两者电流分布规律几乎一样。
对比数据后，发现误差在可接受范围之内，电流的整体分布规律基本一致，所以可以用经典方法模拟石墨烯电流分流规律。
参考文献
[1]陈永胜，黄毅.石墨烯：新型二维碳纳米材料[M].北京：科学出版社，2015.
[2]王利光，李勇，郁鼎文，等.四端纳米分子桥的量子传输特征[J].物理学报，2005，54（1）：233-236.
（作者简介：丁启维，北京市第二十中学。
）。