石墨烯光学性质以及二维材料的纳米光子学性质浅析
二维材料特性及其在纳米光电学领域的关键应用
二维材料特性及其在纳米光电学领域的
关键应用
引言
纳米光电学作为纳米科学领域的重要分支，研究了纳米尺度下光与电子相互作用的基本规律和现象。近年来，二维材料因其独特的物理特性和广泛的应用前景成为纳米光电学研究的焦点之一。本文将探讨二维材料的特性，以及其在纳米光电学领域的关键应用。
二维材料的特性
二维材料是一种只有一层原子厚度的材料，具有独特的物理、化学和电子特性。其中最常见且研究最为深入的二维材料包括石墨烯和过渡金属硫化物。石墨烯是由碳原子组成的六角晶格结构，具有高度导电性和优异的机械性能。而过渡金属硫化物则是由过渡金属原子和硫原子组成的晶格结构，具有可调控的光电特性。
二维材料的独特特性源于其纳米尺度下的量子效应和表面效应。首先，由于其厚度只有一层原子，二维材料的电子在垂直于材料平面的方向上受限于量子束缚效应，表现出二维特性。其次，由于表面原子数目较少，二维材料的表面效应显著增强。这些特性赋予了二维材料许多优异的性能，例如高度的电导率、光学透明性、可调控的能带结构、高斯特效应等。
二维材料在纳米光电学领域的关键应用
1. 光电转换器件
二维材料因其独特的光电特性，成为开发高效光电转换器件的理想候选材料。例如，石墨烯由于其高度的导电性、光学透明性和快速的载流子传输速度，可用于制造可见光响应的光电二极管和光探测器。此外，过渡金属硫化物也因其调控能带结构的能力，可用于制造光伏电池和光催化剂，实现高效的太阳能转换。
2. 光电子器件
二维材料在纳米光电子器件中的应用也备受关注。例如，石墨烯的高度导电性使其成为制造高频率的微波器件的理想材料，可以用于制造高性能的微波谐振器和倍频器。此外，过渡金属硫化物的能带结构可调控的特性，使其成为制造电子输运器件的有利选择，例如晶体管和薄膜晶体管。
材料科学中的石墨烯及其应用
材料科学中的石墨烯及其应用石墨烯（graphene）是一种由碳原子构成的二维薄膜材料，具有优异的电学、热学、力学和光学性质。它的发现和研究将引领未来一系列革命性的应用，例如电子学、储能、化学传感、生物医学和新能源等领域。本文将探索石墨烯的制备与性质、应用现状以及未来展望。
制备方法
石墨烯的制备方法主要有剥离法、化学气相沉积法、化学还原法和机械剥离法等几种。
剥离法是其中最早被发现的一种方法，它通过利用胶带、刮刀或化学剥离剂等手段，将石墨材料中的石墨烯层一层一层剥离下来，非常依赖于操作人员的技巧和经验，而且产量较低、成本较高，因此不适合大规模生产。
化学气相沉积法是利用化学气相沉积设备，在高温下加热并通过低压下控制反应气体流量，最终在载体上生长出石墨烯。这种
方法优点是操作简单、成本低、可大规模生产，但缺点是生产的石墨烯质量不稳定，容易受到外界污染。
化学还原法利用氧化石墨作为前体材料，通过还原方法制备石墨烯。这种方法步骤较多，需要使用还原剂和高温高压反应，但可以控制石墨烯厚度和材质纯度，因此是制备高质量石墨烯的一种重要方法。
机械剥离法是通过机械剥离设备，将硅基底上的石墨材料与压敏胶带反复粘贴和撕掉，最终获得石墨烯。这种方法成本低廉、操作简便，但产品质量不如化学气相沉积法制备的石墨烯。
性质特点
石墨烯的特点主要体现在以下几个方面：
1. 极高的电导率和热导率。由于石墨烯的电子轨道结构，它可以同时传导电流和热量，相对于传统金属材料，它的电导率和热导率分别可达到它们的200倍和5000倍。
2. 强韧、轻薄、柔软。石墨烯是一种二维薄膜材料，其最小厚
以表面等离子体共振技术研究石墨烯杂化及其光学性质
以表面等离子体共振技术研究石墨烯杂化及
其光学性质
石墨烯是一种热门的二维材料，拥有极高的导电性、热传导性和机械强度等优
异的性质。其在光学能谱学、电子能谱学和纳米技术等领域中有广泛的应用前景。最近，研究人员利用表面等离子体共振技术研究了石墨烯的杂化及其光学性质，这项研究有望在材料科学中产生深远的影响。
表面等离子体共振技术是一种基于表面等离子体共振现象的光学传感技术。该
技术通过在固体表面上引入介质层或分子吸附，使表面的等离子体共振现象发生变化，从而检测分子之间的相互作用和表面反应。石墨烯的表面等离子体共振现象受材料自身性质的影响较小，因此被广泛应用于石墨烯等二维材料的研究中。
石墨烯的杂化是指将其掺杂或与其他元素或化合物复合，形成新的材料。此项
研究中，研究人员将氮化石墨烯与四丁基铵离子相结合，形成了一种新的氮化石墨烯杂化物。通过表面等离子体共振技术研究发现，氮化石墨烯杂化物的等离子体共振峰比氮化石墨烯单质红移，表明其具有更强的吸收能力和更好的光学性质。
此外，研究人员还通过光学光谱等技术研究了氮化石墨烯杂化物中氮元素的掺
杂情况和其对光学性质的影响。结果显示，随着氮元素的掺杂浓度的增加，氮化石墨烯杂化物的吸收光谱发生了明显的变化，同时其光学性质也得到了显著的提高。
石墨烯的光学性质受制于其层间结构和电子结构等因素。石墨烯的层间结构使
其对光子的吸收和散射发生了变化，而其独特的电子结构也给其带来了特殊的光学性质。通过研究石墨烯杂化及其光学性质，我们可以更好地理解石墨烯的光学机制，为其在光电子学、光催化、光传感等领域的应用提供技术支持。
基于石墨烯或其它二维材料的光电探测器研究进展
基于石墨烯或其它二维材料的光电探测器研究进
展
石墨烯作为典型的二维材料，具有载流子迁移率高，导热性好，比表面积大，透光度高，杨氏模量和断裂强度高等其他材料所无法匹敌的特点。石墨烯的出现也带动了对其它如TMDs等二维材料的研究，引发了一场对二维材料研究的热潮。由于石墨烯及其它二维材料的光电探测器自身特殊的性能和结构，其在高频探测，高响应度，高光吸收效率，高强度，可透明，可弯曲和可高度集成等特殊应用方面拥有极大潜力。这些探测器又可以与其他建立在同样材料上的光电部分器件整合在一起，例如硅光电技术。我们将追踪纯石墨烯和量子点石墨烯光电探测器，及基于其它二维材料的光电探测器和衍生器件的最新进展。
关键词：石墨烯；二维材料；光电探测器；量子点；混合系统
第一节光电探测器简介
1.1.1光电探测器的研究意义
近年来，不管是基于光伏还是光导效应的光电器件都在紫外-可见及近红外区域的光学领域中都受到研究者极大的关注而飞速发展。例如，光化学电池，一种新兴的光伏器件，近来被广泛研究而发展迅速。同时，光传导、探测器件或者光开关、调制器件都在光电研究及特殊应用领域也得到了极大的促进。其中，转化光信号、光能量为电流的光探测器是光通信中的二进制开关及成像技术的关键器件，也可用于未来的新型存储器及光电回路中[1-4]。
1.1.2 光电探测器的物理机制
基本原理
光电探测器的基本原理是将光信号转变成电信号。
光电探测器分为光子探测器和热探测器两类，其中光子探测器包含基于外光电效应和内光电效应两种原理的两类探测类型。
物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化，把这种由光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。外光电效应，是指物质受光照后而激发的电子逸出物质的表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流。这种效应多发生于金属和金属氧化物。内光电效应，是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应等。
石墨烯的性质及其应用
石墨烯的性质及其应用
上课班级:年级:专业:学号:
姓名:电话:
1、石墨烯的特性:
导电性:
石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。
石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约 2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现
机械特性:
石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
电子的相互作用:
利用世界上最强大的人造辐射源,美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯?伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密:石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。
科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源(ALS)”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现,石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈,而且电子和电子之间也有很强的相互作用。
化学性质:
我们至今关于石墨烯化学知道的是:类似石墨表面,石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看,石墨烯的性质类似于石墨,可利用石墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能有许多潜在的应用,然而要石墨烯的化
石墨烯光学性质以及二维材料的纳米光子学性质浅析
石墨烯的非线性光学性质
入射光所产生的电场与石墨烯内碳原子的外层电子发生共振时，石墨 烯内电子云相对于原子核的位置发生偏移，并产生极化，由此导致了石墨烯 的非线性光学性质。
饱和吸收、自聚焦、克尔效应、光学双稳态及孤波传播等。
施加一垂直于石墨烯表面的直流电场，可以有效调控一阶线性极化率 的数值，从而改变石墨烯的折射率。石墨烯的光学非线性大多取决于其三阶 非线性极化率（单位体积内极化强度与外加电场三次幂的比值），实际一般 用面电流积分总和的n阶导数来描述。
石墨烯的光吸收
石墨烯线性光学性质
① 二维石墨烯布里渊区 K 点处的能量与动量成线性关系，载流子的有效质 量为 0，使其具有量子效应和室温下的载流子近弹道传输以及很高的单层 石墨烯吸光率。
② 狄拉克电子的线性分布，赋予石墨烯对从可见到太赫兹宽波段每层吸收 2.3% 的光。
③ 狄拉克电子的超快动力学和泡利阻隔在锥形能带结构中的存在，赋予石墨 烯优秀的非线性光学性质。
石墨烯等离激元学
由于石墨烯同时具有高的载流子迁移率和高导电性，它也成为了一种极具前 景的太赫兹到中红外等离子体器件应用的候选材料。等离子体具有高局域场 强度，广泛用于包括光学天线，近场光学显微镜，化学和生物传感器和亚波 长光学器件等。和传统等离子材料相比具有以下优点： ① 可以通过化学掺杂和门电压调控。 ② 具有更强的局域性 ③ 低损耗和长寿命 ④ 结晶度
石墨烯的光学特性研究
石墨烯的光学特性研究
石墨烯是一种由碳原子构成的单层蜂窝结构的二维材料。由于其特殊的
结构和独特的电子结构，石墨烯展现出了丰富的光学特性。在本文中，我们
将探讨石墨烯的光学特性及其在光电子学领域的应用。
首先，石墨烯的吸收特性非常强大。石墨烯对整个可见光谱和近红外光
都有良好的吸收能力。石墨烯的光吸收率高达 2.3%，远高于其他吸收材料。石墨烯的光吸收谱呈现出宽带特性，可以吸收多个波长区域的光线。这使得
石墨烯在太阳能电池、光传感器和光探测器等光电子学器件中有着广泛的应
用前景。
其次，石墨烯的折射率也是其光学特性的一个重要指标。石墨烯的折射
率接近于1，远低于常见的材料如玻璃或者金属。这种极低的折射率使得石
墨烯在光学透镜和超薄光学器件中具有广泛的应用潜力。例如，石墨烯薄膜
可以用来制造超薄透镜，实现对可见光和红外光的聚焦，为纳米光学元件的
制备提供了一种全新的方法。
此外，石墨烯还具有优异的光电转换能力。石墨烯可以将吸收到的光子
能量转化为电子，即光电效应。这种光电转换能力使得石墨烯在太阳能电池、光电探测器和光电传感器等领域有重要的应用价值。石墨烯薄膜作为一种透
明导电膜，可以在太阳能电池中作为电极材料，提高光电转换效率。此外，
石墨烯还可以用于制造高灵敏度的光传感器，实现对微小光信号的检测。
石墨烯的光学特性是由其特殊的能带结构决定的。石墨烯的能带结构呈
现出锥涡状，且带隙为零。这种特殊的能带结构使得石墨烯的载流子能量和
动量关系呈现出线性关系，即石墨烯的载流子是无质量的狄拉克费米子。这
种结构与性质使得石墨烯在光学特性方面表现出独特的行为。石墨烯薄膜中
二维材料的性质与应用
二维材料的性质与应用
二维材料是指在一个平面上只有单层原子构成的材料，如石墨烯、二硫化钼等。这些材料具有独特的性质，如高比表面积、特殊的光电性质、优异的机械性能等，因此在许多领域如电子学、光电子学、催化剂等方面都有广泛的应用前景。
首先，二维材料具有高比表面积的特点，这意味着它们可以提供更多的反应活
性位点，因此在催化剂方面有着广泛的应用。以石墨烯为例，由于其表面每个碳原子都暴露在外，因此它具有更多的反应活性位点，能够有效地催化许多化学反应，如氧还原反应、氨合成等。此外，石墨烯还可以制备成复合催化剂，通过将其与金属纳米颗粒等材料复合，能够进一步提高催化效率，并且具有更好的稳定性。
除了在催化剂领域的应用，二维材料在电子学和光电子学方面也有着广泛的应用。石墨烯具有特殊的电子性质，它的导电性能极高，能够有效地传导电子，并且电子的运动方式也非常独特。由于石墨烯的电子结构类似于二维整体，因此电子穿越其表面是非常容易的，而电子在穿越表面时又有类似于光的性质，因此可以用于光电子学领域，如制备高效的透明电极、太阳能电池、显示器件等。此外，石墨烯还具有非常好的光吸收性能，它可以吸收非常广泛的光谱范围，从紫外线到中红外线都能够有效地吸收，因此在光子学领域有很好的应用前景。
二维材料的机械性能也非常优异，它们具有极高的弹性模量和强度。尤其是石
墨烯，它的弹性模量达到了数百0.1TPa，是所有已知材料中最高的。此外，石墨
烯还具有优异的耐摩擦性能和自润滑性能，因此在摩擦学和润滑学领域有着广泛的应用。例如，可以将石墨烯作为高效的润滑材料，用于制备润滑油、润滑脂等。
纳米材料的光学特性与光子学应用研究
纳米材料的光学特性与光子学应用研究
纳米材料是具有尺寸在纳米级别的材料，其独特的光学特性使其在光子学领域
具有广泛的应用前景。本文将探讨纳米材料的光学特性以及在光子学应用研究中的重要性和进展。
纳米材料的光学特性源自其尺寸和形态的调控。由于尺寸处于纳米级别，纳米
材料具有丰富的能带结构和量子尺寸效应。例如，当纳米材料的尺寸减小到与光波的波长相近时，就会出现量子限制效应，导致光的波长受到限制而表现出特定的光学性质。这种量子限制效应在纳米金粒子和纳米晶体中得到了广泛研究和应用。
在纳米金粒子中，由于表面等离子体共振的存在，使其能够吸收和散射特定波
长的光。这使得纳米金球具有多样化的颜色，同时这种等离子体共振效应也被广泛应用于传感器、生物医学和光催化等领域。与纳米金粒子相似，纳米晶体的光学特性也受到其尺寸和晶格结构的限制。纳米晶体可以根据其尺寸和成分的不同，表现出颜色可调谐、宽带吸收、高效荧光等特性。这使得纳米晶体成为显示技术和生物成像领域的热门研究对象。
除了纳米金粒子和纳米晶体，其他纳米结构也具有独特的光学特性。例如，纳
米线和纳米管的光学特性主要集中在其表面，表现出极大的光学增强效应。这种局域表面等离子体共振效应在传感、光子学器件和太阳能电池等领域有着潜在的应用。除此之外，纳米片材料的光学特性也备受关注。二维纳米片材料，如石墨烯和过渡金属二硫化物，具有独特的吸收和发射特性，被广泛应用于光电器件和柔性显示领域。
纳米材料的光学特性不仅限于吸收和发射，还包括材料的电导率、折射率和光
学非线性等方面。这些特性为光子学应用提供了广阔的空间。例如，纳米材料的光学非线性特性使其成为光学开关、光放大器和超快光学器件的理想材料。此外，纳米材料的电导率和折射率也可以通过微观结构设计和表面调控进行调节，用于改善光电器件的性能。
二维材料的物理性质和应用
二维材料的物理性质和应用
随着人类对材料科学的深入研究，二维材料作为一种新兴材料开始受到广泛的
关注。二维材料是指具有晶格结构只有两个维度的材料，其中最著名的代表是石墨烯。本文将探讨二维材料的物理性质以及在不同领域的应用。
首先，我们来了解一下二维材料的特殊性质。由于其只有两个维度，二维材料
具有优异的电子输运性能。石墨烯就是这方面的典型代表，它的电子迁移率非常高，远远超过了传统三维材料。这意味着二维材料在电子器件中有着巨大的潜力。此外，二维材料还具有优异的机械性能，如高强度和柔韧性。这些特性使得二维材料在纳米机械设备和柔性电子器件方面有着广阔的应用前景。
在光学领域，二维材料也展现出了其独特的性质。其中，石墨烯的光学吸收率
极高，可达到约2.3%。这一特性使得石墨烯在太阳能电池和光探测器方面有着广
泛的应用潜力。除了石墨烯，过渡族金属二硫化物（TMD）也是具有优异光学性
质的二维材料。TMD材料的吸收光谱覆盖了可见光和红外光范围，因此在光电子
学和光子学领域有着广泛的应用前景。
此外，二维材料还在传感器方面显示出了独特的性能。由于其高比表面积和优
良的化学稳定性，二维材料能够吸附、传递和放大微弱的化学和生物信号。因此，二维材料被广泛应用于气体传感器、生物传感器和环境监测设备等领域。许多研究也在探索利用二维材料开发高灵敏度、高选择性和可重复使用的传感器。
除了上述应用领域，二维材料还在能源存储、催化剂和传热器件等方面显示出
了巨大的潜力。例如，石墨烯在储能领域的应用正在被广泛研究，其高电导率和大比表面积为高性能锂离子电池和超级电容器提供了新的材料选择。此外，石墨烯和TMD材料也被研究者广泛应用于催化剂的开发。二维材料作为催化剂载体或单质
物理学中的低维量子材料性质分析
物理学中的低维量子材料性质分析
低维量子材料是物理学中一个引人注目的研究领域，它涉及到了许多重要的性质和现象。本文将从几个方面探讨低维量子材料的性质分析。
首先，低维量子材料的定义是指在至少一个维度上具有较强限制的材料。常见的低维材料包括二维材料，如石墨烯和二硫化钼，以及一维纳米线和纳米带等。由于维度的限制，低维材料具有一些独特的性质。例如，二维材料由于只能在平面内运动，其电子结构变得非常特殊，电子在平面内形成特定能带结构，导致电子传输性质发生显著变化。一维材料则在尺寸极小的情况下表现出量子限制的行为，例如量子隧穿和量子干涉等。
其次，低维量子材料的性质可通过实验和理论研究相结合来进行分析。实验上，常用的技术包括扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱等。这些实验手段可以对低维材料的结构、成分、晶格畸变和电子输运性质等进行表征。例如，STM和AFM可直接观察到低维材料的原子结构和拓扑特性，而拉曼光谱则可提供材料的振动模式和能带结构等信息。理论上，常用的方法包括第一性原理计算、紧束缚模型和有效哈密顿量等。这些理论方法可以用于解释实验结果、预测新材料的性质以及揭示低维量子效应的本质。
低维量子材料的性质分析涉及到许多方面。其中之一是电子结构的分析。电子结构的分析可以通过密度泛函理论（DFT）等第一性原理
方法来实现。DFT可以计算出材料的能带结构、电子密度分布和电子
态密度等关键参数。这些参数决定了材料的导电性、光学性质和磁性等。
另一个重要的性质是电子输运性质的分析。电子输运性质是低维材
石墨烯光学性质
石墨烯具有优异的光学和电学性能，与硅基半导体工艺的兼容性，独特的二维原子晶体材料，优异的机械性能，超高的热导率和载流子迁移率，超带宽的光学响应谱极强的非线性光学特性。新型光学和光电器件领域，基于石墨烯的新型光电器件先后被研制出。光子和光电子器件领域的应用。
1.全内反射结构下，石墨烯与光相互作用的增强及其偏振依赖性质，以及该性质在光学传感、光存储、细胞传感方面的发现。
2.光电探测、全内反射结构、偏振吸收、光学传感
3.金刚石石墨（三维）石墨烯（二维）碳纳米管（一维）富勒烯（零维）组成完整碳材料家族，除金刚石外所有碳晶体的基本结构单元。
4.制备，石墨烯缺乏带隙以及室温下的超高电子迁移率、低于银铜的电阻率、高热导率，在光电晶体管、生化传感器、电池电极材料和复合材料有很高应用价值。光电探测
5.石墨烯能带结构；紧束缚近似；最近邻相互作用；置次晶格的对称性；布里渊区的k 和k ’点导带和价带是简并的，导致石墨烯能带的线性色散关系；此处电子表现为狄拉克菲米子；k 和k ’附近的电子能量的色散关系表现为各向同行的特点，称为狄拉克锥；远离k 和k ’位置，等能面变为扭曲的三角形，反映了碳原子六边形晶格的对称性；离k 和k ’更远处的M 点为一个鞍点，此处沿着M-K ，M-Γ方向运动的电子具有正负的有效质量。在布里渊区中心Γ，导带和价带的π电子态具有20ev 的能量差。Γ点附近的能带的等能面也表现为各向同性的特点，但色散关系为双曲线型。
6.本征石墨烯，费米能级位于狄拉克点处；此时电子通过带间跃迁从价带迁到导带；对于n 型和p 掺杂的石墨烯，费米能级会移动，n 型掺杂，掺入的电子将填充导带底，因此费米能级上移。导带底部和价带顶部的电子吸收能量都可以发生跃迁。价带电子至少获得F E 2的能量才能发生带间对称跃迁。特殊的能带结构，所以具有其他半导体材料所没有的特殊光学性质。
石墨烯 (二维碳材料)
石墨烯（二维碳材料）编辑
石墨烯（Graphene）是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
在2015年石墨烯发现之前，石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。
石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。
另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子（氢原子）也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。
作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。[1]
研究历史
编辑
实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。石墨烯在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科
石墨烯性能简介
第一章石墨烯性能及相关概念1石墨烯概念
石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有
排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm。每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。
形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中，每个碳原子通过sp2杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。单层石墨烯厚度仅0.35nm，约为头发丝直径的二十万分之一。
100倍，在室温下可以达到15000cm2/(V·s)。电阻率比铝、铜和银低很多，只有10～6Ω·cm左右。二是具有超强的导热性。石墨烯的导热性能优于碳纳米管，是铜、铝等金属的数10倍，导热系数高达5300W/m?K。三是具有超强的力学性，石墨烯的硬度超过金刚石，断裂强度达到钢铁的100倍。四是具有超强的透光性。石墨烯的吸光率非常小，透光率高达97.7%。五是
具有超强的比表面积。石墨烯的比表面积每克比普通活性炭高出1130m2，达到2630m2/g。
3.1石墨烯的光学性能
石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，具有优异的光学性能。理论和实验结果表明，单层石墨
石墨烯光学性质及其应用研究进展
石墨烯光学性质及其应用研究进展
一、本文概述
石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，自2004年被科学家首次成功剥离以来，便以其独特的物理和化学性质引起了全球范围内的广泛关注。特别是其光学性质，如强烈的光吸收、独特的电子结构和可调谐的光学响应等，使得石墨烯在光电子器件、太阳能电池、光电探测器、传感器等领域展现出巨大的应用潜力。本文旨在综述近年来石墨烯光学性质的研究进展，并探讨其在各领域的应用前景。我们将简要介绍石墨烯的基本结构和光学性质；然后，我们将重点综述石墨烯在光学领域的应用研究，包括但不限于光电子器件、太阳能电池、光电探测器等；我们将展望石墨烯光学性质的研究趋势和应用前景，以期为该领域的发展提供参考和启示。
二、石墨烯的光学性质
石墨烯，作为一种二维的碳纳米材料，自其被发现以来，就因其独特的物理和化学性质而备受关注。其中，石墨烯的光学性质尤为引人注目，为其在光电子器件、光电探测器、太阳能电池等领域的应用提供了广阔的前景。
石墨烯具有极高的光学透明度，单层石墨烯在可见光至红外波段
内，透光率高达7%，这使得石墨烯成为透明电极的理想材料。石墨
烯还具有优异的导电性，其载流子迁移率极高，可在高速光电器件中发挥巨大作用。
石墨烯的特殊光学性质还表现在其独特的光与物质相互作用上。由于石墨烯中的电子在强光场下可以被激发形成等离激元，这使得石墨烯在光调制、光探测等方面展现出独特的优势。通过调控石墨烯中的等离激元，可以实现光的高效吸收和调制，为光电子器件的小型化和集成化提供了可能。
近年来，研究者们还发现了石墨烯在非线性光学领域的潜在应用。石墨烯的非线性光学响应强烈，可以在强光激发下产生显著的非线性效应，如光学双稳态、光学限制等。这些非线性光学性质使得石墨烯在超快光开关、全光信号处理等领域具有巨大的应用潜力。
纳米材料论文—石墨烯
纳米科技前沿Page1of 18题目：纳米材料——石墨烯
摘要
随着纳米材料的快速发展，纳米材料有着众多优秀的理化性质，同时，还包括在应用领域优秀的应用性能，本文从纳米材料的基本性质出发，叙述纳米材料的特有性质，继而本文叙述了对于标志这纳米材料发展的有着重要意义的三种材料——富勒烯，碳纳米管，石墨烯。而本文的核心是关于目前最具前景的纳米材料——石墨烯。
石墨烯是一种碳纳米二维材料，原子以sp2杂化轨道方式构成，平面像六角的蜂巢结构，质料非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快，而全材料仅一个碳原子厚度，是全世界已知材料最薄的材料。本文从石墨烯的发展历史出发，叙述石墨烯的优异理化性质，最后叙述石墨烯的不同制备方法以及该方法的优劣之处。
关键词：石墨烯理化性质制备方法
Abstract
With the rapid development of nanomaterials, nanomaterials have many excellent physical and chemical properties, as well as excellent application properties in the field of application. Starting from the basic properties of nanomaterials, this paper describes the unique properties of nanomaterials, and then describes three kinds of materials which are of great significance to mark the development of nanomaterials: fullerenes, carbon nanotubes, carbon nanotubes, Graphene. The core of this paper is about the most promising nano material graphene.
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
二维材料的纳米光子学
本文主要探索石墨烯，黒磷，过渡金属二硫化物等二维材料的纳米光子学特 性和应用。 石墨烯的具有在狄拉克点附近能带的线性色散关系和零带隙的结构、支持局 部等离激元和可控的费米能级、对宽光谱范围内光信号的高灵敏度等优点。 可以制作光电探测器，光调制器，但不适合做光源。 hBN具有6eV的大带隙，蜂窝状晶格结构的层状材料，表现出杰出的绝缘体性 能。TMDCs具有1.5-2.5eV能量范围，适合作为发光二极管和激光源。 黒磷具有0.3eV的适中带隙，而且可调的带隙可以弥补石墨烯和TMDCs之间的 带隙空缺。在光探测器和光源产生应用中可以覆盖广泛的波长范围。
整合量子点和石墨烯 8 用胶体量子点覆盖石墨烯可以获得具有能够获得具有 10 电子/光子的的超 高光电探测和 10 AW 的光响应的光电探测器。但由于需要长时间产生增益， 它们的运算速度也很低。 ③ 石墨烯与微腔结合 可以在给定的波长上实现了20倍的光电流增强。空腔诱导的光学约束可以 增强光反应度，但也缩小其使用的带宽范围。 ④ 将石墨烯耦合到各种波导中 这种光电探测器具有出色的性能。具有很高的光响应度,超宽的带宽(从可 见光到红外波段),效率高、高速、和局域性。
石墨烯的非线性光学性质
入射光所产生的电场与石墨烯内碳原子的外层电子发生共振时，石墨 烯内电子云相对于原子核的位置发生偏移，并产生极化，由此导致了石墨烯 的非线性光学性质。 饱和吸收、自聚焦、克尔效应、光学双稳态及孤波传播等。 施加一垂直于石墨烯表面的直流电场，可以有效调控一阶线性极化率 的数值，从而改变石墨烯的折射率。石墨烯的光学非线性大多取决于其三阶 非线性极化率（单位体积内极化强度与外加电场三次幂的比值），实际一般 用面电流积分总和的n阶导数来描述。
石墨烯光学性质以及二 维材料的纳米光子学
姓名： 导师： 日期：2017.6.30
总体规划
首先通过网络搜集有关石墨烯的材料，对石墨烯做了初步的了解。
然后完成对文献《石墨烯的光学性质及其应用研究进展》的精读，和对文献 《Two-dimensional materials for nanophotonics》的浅翻译。
石墨烯等离激元学
由于石墨烯同时具有高的载流子迁移率和高导电性，它也成为了一种极具前 景的太赫兹到中红外等离子体器件应用的候选材料。等离子体具有高局域场 强度，广泛用于包括光学天线，近场光学显微镜，化学和生物传感器和亚波 长光学器件等。和传统等离子材料相比具有以下优点： ① 可以通过化学掺杂和门电压调控。 ② 具有更强的局域性 ③ 低损耗和长寿命 ④ 结晶度
②
7 -1
光调制器
：调制器在光通信中起着至关重要的作用。以石墨烯为基础的光学调制 器，具有强的石墨烯光相互作用、超高速运算速度、大带宽和对硅电子工业 的高度兼容性。尽管石墨烯的光吸收系数大，但单层石墨烯的超薄性质大大 限制了其吸收。所以有必要加强石墨烯-光子的相互作用，特别是波导或光学 腔。 ：1 单层石墨烯平铺到波导上，中间夹了7nm的 Al2O3 ，在石墨烯和波导 之间施加一个驱动电压来调节费米能级。 2 用单层的石墨烯取代掺杂的硅层，形成双层石墨烯光调制器。 3 耦合二维材料到光学腔提供了另一种方法，在覆盖硅光子晶体纳米 腔的 HfO 2 上，通过电子控制石墨烯堆集合成了高对比度、高能量效率和宽带 的光电调制器。 4 全光调制器，由超细纤维包裹单层石墨烯，具有消除“电子瓶颈” 能力。
谢谢观看
4.黑磷的研究和应用仍面临一些挑战。例如，单层黑磷在空气中快速降级， 氧化和水吸收。因此，开发清洁高效的保护措施是必要的。此外，目前生产 的薄层BP依赖于机械去角质方法，这种方法产量低。因此，我们需要发展出 大面积的合成方法来生产晶圆片的薄层黒磷。
展望未来
首先要进一步了解激光，光学非线性，光反应机制，并需要处理弱吸收和二 维材料的短光相互作用长度的问题。另一个挑战是将可调石墨烯光学反应的 操作窗口从红外线扩展到电磁波谱区域，在那里可以找到更大范围的应用 ，从光学调制，光探测到传感。石墨烯和其他令人满意的二维材料获得了可 控和稳定的化学调控的发展。在不久的将来，除了材料本身的光学性质，混 合异质结构的可用性将产生引人入胜的光学性能，扩展设备功能，包括高效 的太阳能电池，超快光调制器或探测器以及二维光发射装置和激光。
黑磷的光电子学应用
1.黑磷(BP)是一种新兴的二维材料，具有褶皱正交晶格（如图）。它的各向 异性平面晶格结构降低了空间对称性，导致高度的各向异性电子和光电特性。 块状黒磷有一个0.3ev的适度带隙，并且随着层数的减少而单调增加，甚至能 够达到单层2eV。因此，对于光电子应用，黑磷可以覆盖很宽的光谱，从可见 到中红外。黑磷可调温和的直接带隙桥接起零带隙的石墨烯和相对宽带隙对 的TMDCs，使黑磷成为未来电子和光电子应用的一种有前景的材料。 2.层状黑磷的能带结构明显受强多电子效应的影响，同时层状黑磷的能带结 构具有可调性。这使他成为能够应用到更宽的波段设备。 3.黑磷晶体管的光敏反应和黑磷光电探测器在可见光和红外区域可记录超高 分辨率图像。除了黑磷的光电效应，还有线性二色性，空穴迁移率，等独特 性质。
过渡金属二硫化物光子学
过渡金属二硫化物(TMDCs)是化学公式为MX2的材料，M代表Mo、W、Nb、Re 这一类元素，X是硫元素。 TMDCs的层间相互作用是弱范德华力，而平面成键是强共价键。因此TMDCs 可以被剥离到类似石墨烯的薄膜结构，显著地扩展了二维材料的材料库。一 些二维的TMDCs，如钼和钨的硫化物，在多层的形式中有间接带隙，而在它们 的单层形式中成为直接带隙半导体。他们相当大的和可调带隙，不仅仅能产 生强的光致发光，也能打开像光电探测器，能量收集器，电致发光等光电器 件的大门。而且不同于石墨烯基器件，他具有可操作的光谱范围。另外，在 一些二维的TMDCs中已经证明了的奇异光学性质，如谷相干和谷选择性的圆二 色性，使这些材料非常有希望发现新的物理现象。
石墨烯线性光学性质
①
②
③
④ ⑤ ⑥ ⑦
二维石墨烯布里渊区 K 点处的能量与动量成线性关系，载流子的有效质 量为 0，使其具有量子效应和室温下的载流子近弹道传输以及很高的单层 石墨烯吸光率。 狄拉克电子的线性分布，赋予石墨烯对从可见到太赫兹宽波段每层吸收 2.3% 的光。 狄拉克电子的超快动力学和泡利阻隔在锥形能带结构中的存在，赋予石墨 烯优秀的非线性光学性质。 石墨烯的反射率小于其光学透过率。 多层石墨烯的光学吸收率与石墨烯的层数成正比。 通过化学掺杂或电学调控的手段，可 石墨烯的光学透过性可以通过化学掺杂和电学调控改变。
基于二维TMDCs 的光电探测器
MoS 2 ReSe 2 WS2
基于二维TMDCs的发光二极管
发光二极管(LED)广泛用于显示、照明和传感。 单层的TMDCs(如WSe2)是直接带隙的半导体，电子和空穴可以很容易地在辐 射过程中相互结合，产生光子。在接触区域处和发生在高p掺杂的硅基板上 的电致发光也能在单层MoS2场效应晶体管中得到。然而，基于M0S2发光二极 管的光电效率相对较低，并且随载流子注入而显著下降。获得空穴传导的难 度，无效的接触以及单层MoS2的有限的光学性能阻碍了MoS2发光二极管的潜 在应用。
全内反射结构下石墨烯
：采用棱镜全内反射结构，石墨烯与光相互作用具有偏振吸收和宽带相 干吸收增强的特点。光与石墨烯通过倏逝场相互作用，对于 TE 和 TM 偏振 光石墨烯与光的相互作用程度不同，体现出具有偏振吸收的特点。 ：通过偏振吸收特性进行石墨烯层数的测量；基于石墨烯偏振依赖性质 进行的光存储；基于全内反射下石墨烯的偏振吸收效应和结合微流体技术设 计灵敏的折射率传感器，灵敏度高、免标记、实时性好等优点；PDMS 微流体 通道-高温氧化石墨烯-石英片三明治结构和棱镜组成的石墨烯基基单细胞传 感器。
③
④
光与石墨烯相互作用增强方式
激发表面等离激元波（石墨烯铺在金纳米结构上） II. 设置光学振荡腔 （在石墨烯上下面安装特定频率的镜面膜） III. 硅波导石墨烯结构 （将石墨烯铺到波导表面） 这三种方法缺点是都一定的牺牲了石墨烯带宽的性质
I.
石墨烯光子和光电子器件
具有独特的能带结构，可调的载流子浓度，超快的室温下载流子迁移 率，能带在K和k’点无带隙，费米面可以通过门电压、化学掺杂等方式调节。 也具有能够拉伸20%的柔性。 柔性电极触摸屏、光伏器件、基于波导的光电器件、石墨烯非线性光 学器件。
下载了几篇与石墨烯相关的中文论文，进一步理解石墨烯的光学性质，并积 累一些专业词汇。
知识点总结
石墨烯的能带结构
石墨烯具有特殊的能带结构，如图所示，具有零带隙（布里渊区k和k’导带 和价带是简并的），布里渊区中心点导带价带的π电子态具有20eV的能量差， 费米能级位于狄拉克点处。如此特殊的性质 使石墨烯具有其他半导体材料所没有的的特殊 光学性质。
石墨烯的光吸收
①
②
Байду номын сангаас
光与石墨烯的相互作用从能带跃迁的角度主要有两种：带间跃迁和带内跃 迁。远红外和太赫兹光谱区为带内跃迁，近红外及可见光光谱区主要是带 间跃迁； 带间跃迁下可以通过费米面来调节光吸收，调控方式通过化学掺杂和门电 压调节载流子浓度，也可以用强光泵浦法。
石墨烯等离激元相对传统金属的三大优点；更强的局域性、易于控制等离 激元谱、更长的光学周期。 化学掺杂，门电压调控方式可以控制带间跃迁，采用合理的掺杂方式可以 使可调控的光谱范围达到可见光。
光探测器
1.高速、宽带宽的光电探测器 ，用于通信、传感、数字成像是必不可少的 ， 大多数传统的商业光电探测器都是基于硅或III-V半导体上。 2.当光子它们被吸收到光电二极管的耗尽区，激发电子空穴对和自身分离导 致光电响应。(通常被称为“光伏效应”）认为是基于石墨烯的光电探测器早 期的操作原理 。由于单层石墨烯较低的光吸收限制了石墨烯光探测器的光响 应度，所以提出了金属-石墨烯-金属（MGM）非对称电极光探测器，实现 6.1mAW的外部响应，同时具有超宽带、高速和与电路的兼容性的性质，但是 光响应度还是很低。所以提出了下面几种方案。 ① 石墨烯与等离子体纳米结构相结合 使光集中用于等离子体共振，从而使局部电场得到显著增强。在量子效 率方面得到巨大提高。但也会导致可操作宽带的范围减少。