《石墨烯光学介绍》PPT课件
石墨烯简介PPT课件
精选
17
应用与性能的关系
E
Relation between application and performance
精选
应用与性能的关系
精选
20
应用与性能的关系
透明度大
透明电极
电导率高
触控屏幕
比表面积大
太阳能电池
力学性能好 导热系数大
晶体管 复合材料
电子迁移率高
锂离子电池
精选
21
应用与性能的关系
高温 加热
氧
渗碳
化
脱氢
剥
剥
离
离
快速
还
冷却
原
精选
7
石墨烯制备方法
石墨烯粉末及 氧化石墨产品
公司石墨烯 薄膜产品
精选
8
表征方法 Characterization Method
D
精选
石墨烯表征方法
石墨烯常见的表征方法:
1 拉曼光谱( Raman ) 2 扫描电子显微镜( SEM ) 3 高分辨透射电子显微( HRTEM ) 4 X射线衍射( XRD ) 5 原子力显微镜( AFM ) 6 其它方法
石墨烯的优异性能
精选
19
制备方法 Preparation Method
C
精选
机械剥离法
碳纳米管横向切割法
微波法 电弧放电法 光照还原法 外延生长法
石墨烯制备方法
石墨氧化还原法 电化学还原法
溶剂热法 液相剥离石墨法
碳化硅裂解法 化学气相沉积法
精选
6
化学气相沉积法 氧化还原法
机械剥离法
SiC外延法
石墨烯在诸多应用中扮演了什么样的角色呢?
石墨烯PPT课件
所谓石墨烯,其实就是单层的石墨。
石墨是一种碳单质,由很多层碳元
素叠加而成;当我们从中分离出单
层的石墨片,石墨烯就产生了。虽
然石墨可谓是世界上最柔软的物质
之一,但石墨可比钢铁还要坚硬百
倍!
2020/2/19
3
2010年,两个科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃消洛夫因为成功制取 了石墨烯而获得了“诺贝尔奖”!
超 强 度
2020/2/19
据说,如果将食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片盖在一 只杯子上,你如果试图要用铅笔戳穿它,那么你需要 一头大象站在铅笔上。
石墨烯按六边形晶格排 列,结构稳定,常被人 误以为它很僵硬,事实 上,石墨烯具有很强的 伸展性,能在受到外力 的情况下变形。这样, 碳原子就不需要重新排 列来适应外力,保证了 其稳定结构,使其比金 刚石还要坚硬,同时可 以来回拉伸。
2020/2/19
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石墨烯电池
石墨烯的另一个重要的应用就是石墨烯电池了。据说,三星已
经研发出了石墨烯电池!
充电五秒钟,
爆炸半个月!
三星董事长
这种新型的石墨 烯电池,5秒钟 即可给手机充满
点,但足可以使 用半个月!
石墨烯电池,利用了锂离子 在石墨烯表面和电极之间大 量穿梭运动的特性,开发出 的一种新能源电池。石墨烯 电池将促成一个新的革命。
早七(4) 张远洋
2020/2/19
1
石墨烯听起来是一个十分陌生的词汇, 石墨烯到底是什么?它有什么用?为什 么它非常的重要,让我们一起来揭秘吧
2020/2/19
2
分离石墨烯
大家想必都听说过石墨吧,生活中有很多物质都是由石墨构成的,比如:
铅笔
拿破仑曾经说过:“笔比剑更有威 力”,但他万万没有想到,在当今 的技术下,“铅笔”的确有过人的 威力!用铅笔中的碳提取出来的石 墨烯是一种强度超高,甚至超过金 刚石的物质,其“威力”的确巨大 无比。
石墨烯ppt课件
04
缺点
设备成本高,制备过 程复杂。
液相剥离法制备过程及优化策略
过程
将石墨或膨胀石墨分散在溶剂中,通 过超声波、热应力等作用剥离出单层 或少层石墨烯。
优化策略
选择适当的溶剂和剥离条件,如超声 功率、时间、温度等,以提高剥离效 率和石墨烯质量。
优点
制备过程简单,成本低。
缺点
难以制备大面积、单层的石墨烯。
未来挑战和机遇并存局面思考
技术挑战
石墨烯制备技术仍存在一些难题 ,如大规模制备、成本控制、质 量稳定性等,需要加强技术研发
和创新。
市场机遇
随着石墨烯技术的不断突破和市场 需求的持续增长,石墨烯产业将迎 来更广阔的发展空间,企业需要抓 住机遇,积极拓展市场。
跨界融合
石墨烯产业需要与其他产业进行跨 界融合,共同推动产业升级和创新 发展,如与互联网、人工智能等产 业的深度融合。
THANKS
感谢观看
消费电子市场需求
随着消费电子产品的不断更新换代, 石墨烯在智能手机、平板电脑、可穿 戴设备等领域的应用需求将持续增长 。
新能源市场需求
石墨烯在新能源领域具有广阔的应用 前景,如太阳能电池、锂离子电池、 燃料电池等,未来市场需求将不断扩 大。
医疗健康市场需求
石墨烯在生物医疗领域的应用也逐渐 受到关注,如生物传感器、药物载体 、医疗器械等,未来市场需求有望持 续增长。
三维多孔支架、细胞培养基质、神经修复导管
石墨烯组织工程支架材料的研究进展及前景
骨组织工程、皮肤组织工程、心肌组织工程
安全性评价和毒理学问题关注
石墨烯的生物安全性问题
01 细胞毒性、免疫原性、遗传毒性
石墨烯的体内代谢和毒性机制
石墨烯简单介绍ppt课件
填充在信号中,它们被要求使用越来越高的频率,然而手机的工作频
率越高,热量也越高,于是,高频的提升便受到很大的限制。由于石 墨烯的出现,高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。 这使它在
微电子领域也具有巨大的应用潜力。
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石墨烯应用
透明电极
石墨烯
和
,使它在透明电
导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、
有机发光二极管等等,都需要良好的透明电导电极材料。特别是,
。由于氧化铟锡脆度较高,比较容易损毁。在溶液
内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域 。
通过化学气相沉积法,可以制成大面积、连续的、透明、高电导 率的少层石墨烯薄膜,主要用于光伏器件的阳极,并得到高达1.71% 能量转换效率;与用氧化铟锡材料制成的元件相比,大约为其能量转 换效率的55.2%。
石墨烯
1
什 么 是 石 墨 烯?
石墨烯(英文名Graphene)是一种由C原子 形成的蜂窝状的准二维结构,是C的另外一种 同素异形体。
。例如,在计算石墨和碳纳米 管特性时,通常都是从石墨烯这个基本结构单 元出发的。
石墨烯:基本结构单元
2
石墨烯的来源?
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。1mm厚的石墨 大约包含300万层石墨烯。
14
结构与性能
力学性能
石墨烯是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构。其
和
分别为125GPa和1.1TPa。石墨烯的
(抗拉强度)为42N/M2。
普通钢的强度极限大多分布在250~1200MPa范围内,即 0.25ӽ109~1.2ӽ109N/m2。如果钢具有同石墨烯一样的厚度(约 0.335nm),则可推算出其二维强度极限0.084~0.40N/m。由 此可知,
2024版《石墨烯的研究》PPT课件
目录•引言•石墨烯的基本性质•石墨烯的制备方法•石墨烯的应用领域•石墨烯的挑战与前景•结论引言石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料。
石墨烯具有极高的电导率、热导率和机械强度等优异性能。
石墨烯的发现引起了科学界的广泛关注,被认为是未来材料科学的重要发展方向之一。
石墨烯的背景与概念0102 03推动材料科学的发展石墨烯作为一种新型材料,其研究有助于推动材料科学的发展,为制备更高性能的材料提供新的思路和方法。
促进相关产业的发展石墨烯的优异性能使其在电子、能源、生物等领域具有广泛的应用前景,其研究有助于促进相关产业的发展。
提高国家科技实力石墨烯作为一种具有重要战略意义的材料,其研究水平的提高有助于提高国家的科技实力和竞争力。
石墨烯的研究意义国内研究现状国内石墨烯研究起步较早,目前已经取得了一系列重要成果,包括石墨烯的制备、表征、应用等方面。
国外研究现状国外石墨烯研究也非常活跃,许多国际知名大学和科研机构都在开展石墨烯相关的研究工作。
发展趋势未来石墨烯的研究将更加注重应用基础研究,探索石墨烯在各个领域的应用潜力,同时加强石墨烯的规模化制备和产业化应用等方面的研究。
国内外研究现状及发展趋势石墨烯的基本性质石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。
二维碳纳米材料石墨烯中的碳原子以六边形进行排列,每个碳原子与周围三个碳原子通过σ键相连,形成稳定的晶格结构。
碳原子排列方式石墨烯中碳-碳键长约为0.142nm ,每个晶格内有三个σ键,所有碳原子均为sp2杂化。
原子尺寸零带隙半导体石墨烯是一种零带隙半导体,其载流子在狄拉克点附近呈现线性色散关系,具有极高的载流子迁移率。
高电导率由于石墨烯中载流子的特殊性质,其电导率极高,甚至超过铜等传统导体。
量子霍尔效应在低温强磁场条件下,石墨烯会表现出量子霍尔效应,这是其独特电学性质之一。
石墨烯的强度极高,其抗拉强度是钢铁的数百倍,同时具有优异的韧性。
石墨烯简介PPT课件
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应用与性能的关系
E
Relation between application and performance
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应用与性能的关系
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应用与性能的关系
透明度大
透明电极
电导率高
触控屏幕
比表面积大
太阳能电池
力学性能好 导热系数大
晶体管 复合材料
电子迁移率高
锂离子电池
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应用与性能的关系
B
精选
石墨烯的性能
力学性质:106N/cm2 光学性质:2.3%
Science, 321, 385 (2008) Science 320, 1308 (2008)
热学性质:5300 W/mK 电学性质:1/300光速
Nano Lett. 8, 902 (2008) Science, 306, 666 (2004)
精选
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石墨烯的表征—其它方法
石墨烯表征方法
热重—示差扫描
用于分析温度变化过程中的物理化学变化,如物质含量、 分解和氧化还原等,研究样品的热失重行为和热量变化。
低温氮吸附测试
测定石墨烯的孔结构和比表面积,计算比表面积、孔径大小、 孔分布、孔体积等物理参数。
傅里叶变换红外光谱分析(FT-IR)
用来识别化合物和结构的官能团,在石墨烯制备中主要用于 氧化石墨烯的基面和边缘位的官能团的识别。
石墨烯的优异性能
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制备方法 Preparation Method
C
精选
机械剥离法
碳纳米管横向切割法
微波法 电弧放电法 光照还原法 外延生长法
石墨烯制备方法
石墨氧化还原法 电化学还原法
石墨烯科普PPT课件
Thank you!
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感谢您的观看!
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第10页/共29页
石墨烯材料制备
3、热膨胀法 用酸进行插层反应得到膨胀率较低的石墨鳞片, 鳞片的平均厚度约为30μm,横向尺寸在400μm左 右,这种石墨鳞片就是可膨胀石墨。将这种可膨 胀石墨放入微波或高温炉中加热,就可以的到厚 度为几纳米到几十个纳米的纳米石墨片。
第11页/共29页
石墨烯材料制备
Outline
➢石墨烯材料的简介 ➢石墨烯材料的制备 ➢石墨烯材料的性质 ➢石墨烯材料的应用 ➢石墨烯材料的展望
第13页/共29页
石墨烯材料的性质
1、力学性质——比钻石还要硬
数据转换分析:在石墨烯样品微粒开始碎裂前,它们每 100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。
据科学家们测算,这一结果相当于要施加55牛顿的压 力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出 厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约100纳米)石 墨烯,那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。 换句话说,如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大 约两吨重的物品。
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。这使得石墨烯中的电子,或更准确地, 应称为“载荷子”(electric charge carrier), 的性质和相对论性的中微子非常相似。
石墨烯的应用
微电子领域 微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石
石墨烯光学介绍PPT课件
For different w, the gate voltage Vg determined from
maximum (d R / R ) is different, following the relation
,
V mod
E F 2(v F )2 C |V g V 0|
dR/R
2EF
w
Slope of the line allows deduction of slope of the band structure
H
u1 u2
Ep, f *(k
),
f (k Ep
)
u1 u2
f (k ) [1 eik a1 eik a2 ]
E (k ) Ep | f (k ) |
Ep 3 2 cos k a1 2 cos k a2 2 cos k (a2 a1)
Ep 1 4 cos2 ( 3kxa / 2) 4 cos( 3kxa / 2) cos(3kya / 2)
No Image
x
IV
II
x
Transitions II & IV inactive Transition I active
36
Differential Bilayer Spectra (dD = 0)
(Difference between spectra of D0 and D=0)
I
I
IV
Larger bandgap stronger transition I
18
Experimental Arrangement
Det
OPA
Gold
Graphene
Doped Si
2024石墨烯技术PPT课件
contents •石墨烯概述•石墨烯制备方法•石墨烯表征技术•石墨烯应用领域•石墨烯产业发展现状与趋势•总结与展望目录石墨烯定义与结构定义结构石墨烯的每个碳原子与周围三个碳原子通过共价键连接,形成稳定的六边形结构。
这种结构使得石墨烯具有出色的力学、电学和热学性能。
石墨烯性质与特点力学性质石墨烯是已知强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,可以弯曲成各种形状而不断裂。
电学性质石墨烯具有优异的导电性能,电子在其中的移动速度极快,使得石墨烯成为理想的电极材料。
热学性质石墨烯具有极高的热导率,可以快速地将热量从一个区域传递到另一个区域,这使得石墨烯在散热领域具有广阔的应用前景。
光学性质石墨烯对光的吸收率很低,且透光性极好,这使得石墨烯在透明导电薄膜等领域具有潜在的应用价值。
石墨烯发现历程及意义发现历程石墨烯最初是由英国曼彻斯特大学的两位科学家通过机械剥离法从石墨中分离出来的。
这一发现引起了科学界的广泛关注,并开启了石墨烯研究的新篇章。
意义石墨烯的发现不仅打破了二维晶体无法稳定存在的传统认知,而且为材料科学、凝聚态物理以及电子器件等领域的发展带来了新的机遇。
石墨烯的优异性能使得它在能源、环保、医疗、航空航天等领域具有广阔的应用前景,有望引领新一轮的技术革命和产业变革。
机械剥离法01020304原理优点缺点应用领域化学气相沉积法在高温下,碳源气体在催化剂表面分解并沉积形成石墨烯。
可控制备大面积、高质量的石墨烯;与现有半导体工艺兼容。
设备成本高,制备过程中可能产生有毒气体。
透明导电薄膜、电子器件、传感器等。
原理优点缺点应用领域原理优点缺点应用领域氧化还原法利用溶剂将石墨剥离成单层或少层石墨烯,适用于大规模生产。
液相剥离法碳化硅外延法电弧放电法激光诱导法通过高温处理碳化硅晶体,使其表面外延生长出石墨烯,适用于制备高质量石墨烯。
利用电弧放电产生的高温高压条件,将石墨转化为石墨烯,但产量较低。
利用激光束照射石墨表面,诱导出石墨烯,但设备成本较高。
石墨烯PPT课件
富勒烯(左)和碳纳米管(中)都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的, 而石墨(右)是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的
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。哥伦比亚大学的物 理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程 中,他们选取了一些之间在10—20微米的石墨烯微粒作为研 究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被 钻有小孔的晶体薄板上,这些孔的直径在1—1.5微米之间。 之后,他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨 烯施加压力,以测试它们的承受能力。
电子显微镜下观测的石墨烯片,其碳原子间距仅0.14纳米
发展简史
石墨烯出现在实验室中是在2004年,当时,英国曼彻斯 特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发 现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。 他们从石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特 殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这 样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳 原子构成的薄片,这就是石墨烯。这以后,制备石墨烯的新 方法层出不穷,经过5年的发展,人们发现,将石墨烯带入 工业化生产的领域已为时不远了。
中国科学院物理研究所利用含碳的钌单晶在超高真空环境下经高温 退火处理可以使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜加热 NhomakorabeaSiC法
该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si,在单晶(0001) 面上 分解出石墨烯片层。具体过程是:将经氧气或氢气刻蚀处理 得到的样品在高真空下通过电子轰击加热,除去氧化物。用 俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后,将样品加热 使之温度升高至1250~1450℃后恒温1min~20min,从而形 成极薄的石墨层,经过几年的探索,Berger等人已经能可控 地制备出单层或是多层石墨烯。其厚度由加热温度决定,制 备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
石墨烯光学性质以及二维材料的纳米光子学性质浅析PPT课件
, 在 石 墨 烯 和 波A导l2O3
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 Hf上O,2 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。
第4页/共20页
石墨烯的光吸收
① 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;
② 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。
③ 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。 ④ 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。
第5页/共20页
光与石墨烯相互作用增强方式
I. 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
第6页/共20页
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。
第7页/共20页
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。
石墨烯-最终版PPT课件
.
14
小结
这种方法生长石墨烯是最有可能实现C 基集成 电路的有效途径之一。但单晶SiC的价格昂贵,石墨 烯的制作成本非常高,生长条件苛刻,目前还难以实 现大面积制备。
在可控制备及性能研究上存在着以下问题: 外延石墨烯的可控生长机制有待进一步深入研究, 其生长的可控性(层数、晶畴大小、大面积均匀一致 性)有待进一步增强。
机械剥离法 化学气相沉积法(CVD) 表面外延生长法 氧化石墨还原法 ……
.
6
利用机械力将石墨烯片从高度定向热解石墨表面剥离开来 的制备方法。Geim等就是采用微机械剥离法得到了石墨 烯,并进行了表征 ,他们将薄片的两面粘在一种特殊的胶 带上,通过撕开胶带将石墨烯剥离开,制备的石墨烯片最 大宽度可以达到10um以上。目前,该法仍是制备石墨烯 最简单直接的方法。
.
4
石墨烯的性质
极高的载流 子迁移率, 常温下超过 15000 cm2/V·s
世界上电 阻率最小 的材料
——多才多艺
极高的强度,理论 弹性模量1000GPa、 拉伸强度125GPa
石墨烯
良好的透光性, 单层只吸收 2.3%的光
较大的比表 面积 2600m2/g
导热系数高达
5300W/m·K
.
5
石墨烯的制备
表面外延生长法 机械剥离法
化学气相沉积法
氧化石墨还原法
.
19
表面外延生长法
表面外延生长法是渗碳原 理的进一步推广,提高了 石墨烯的晶体完整度,但 该法的成本比前面两种方 法更高。
氧化石墨还 原法
机械剥离法
表面外延生长法
化学气相沉积法
.
20
其他方法如有机合成法、 直接超声剥离法甚至生物 还原法等都提供了可供借 鉴的思路。将不同的方法 结合起来也有一定的前景。
石墨烯材料PPT课件
1985
第7页/共111页
石墨烯的晶格结构与其相应的倒格矢空间
第8页/共111页
石墨烯能带结构
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石墨烯层数的表征方法
(1)扫描隧道显微镜(STM)
具有很高的空间分辨率,横向为 0.1~0.2nm,纵向可达0.001nm。
单层石墨烯厚度只有0.335nm
第10页/共111页
(2)原子力显微镜表征
石墨烯的组成与结构
第1页/共111页
石墨简介
石墨(graphite)是一种结晶形碳。 六方晶系,为铁墨色至深灰色。密度 2.25克/厘米3,硬度1.5,熔点3652℃, 沸点4827℃。质软,有滑腻感,可导 电。
化学性质不活泼,耐腐蚀,与酸、 碱等不易反应。在空气或氧气中加 强热,可燃烧并生成二氧化碳。强氧 化剂会将它氧化成有机酸。
研究人员发现单氢化及双氢化锯齿状边的石墨烯具有铁磁性。此外,通过对 石墨烯不同方向的裁剪及化学改性可以对其磁性能进行调控。研究表明分子在石 墨烯表面的物理吸附将改变其磁性能。例如氧的物理吸附增加石墨烯网络结构的 磁阻,位于石墨烯纳米孔道内的钾团簇将导致非磁性区域的出现。
第25页/共111页
石墨烯的优异特性
第27页/共111页
• 分数量子霍尔效应和异常量子霍尔效应
第28页/共111页
整数量子霍尔效应
1985年的诺贝尔物理学奖
量子霍尔效应只发生于二维导体。这效应促成了一种新度
量衡标准,称为电阻率量子(resistivity quantum)
h/e2;垂直于外磁场的载流导线,其横向电导率会呈现量
子化值。称这横向电导率为霍尔电导(Hall
第36页/共111页
•外延生长法
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Quantum Hall Effect
Y. Zhang et al, Nature 438,
Optical Studies of Graphene
Optical microscopy contrast; Raman spectroscopy; Landau level spectroscopy.
Optics on Graphene
Gate-Variable Optical Transitions in Graphene
Feng Wang, Yuanbo Zhang, Chuanshan Tian, Caglar Girit, Alex Zettl, Michael Crommie, and Y. Ron Shen, Science 320, 206 (2008).
Measure modulated reflectivity due to Vmod at V
(d R / R)
V
V0
( Analogous to dI/dV measurement in transport)
Results in Graphene Monolayer
= 350 meV
2EF
If dEF=0, then II and IV do not contribute
Bandstructure Change Induced by
D 0 (from D 0 with d D 0)
x
IV
I
x
I
Transitions II & IV inactive
Transition I active
Mechanically:
Large Young’s modulus.
Thermally:
High thermal conductance.
Exotic Behaviors
Quantum Hall effect, Barry Phase Ballistic transport, Klein paradox Others
/
(
vF )2
(E) 2E / vF2
EF vF | n |
n C(Vg V0 )
p-doped: V0 0
C:
capacitance
EF can be adjusted by carrier injection through Vg .
Experimental Arrangement
II, IV: Transition between conduction/valence
bands (~400 meV, dominated by van Hove singularity)
III, V: Transition between conduction and
valence bands (~400 meV, relatively weak)
Det
OPA
Gold
Graphene
290-nm Silica
Doped Si
Infrared Reflection Spectroscopy to Deduce Absorption Spectrum
Differential reflection spectroscopy: Difference between bare substrate and graphene on substrate
Band Structure of Graphene Bilayer
For symmetric layers, D = 0 For asymmetric layer, D 0
E. McCann, V.I.Fal’ko, PRL 96, 086805
Doubly Gated Bilayer
Asymmetry: D D (Db + Dt)/2 0 Carrier injection to shift EF: dF dD = (Db - Dt)
H
u1 u2
Ep, f *(k
),
f (k Ep
)
u1 u2
f (k ) [1 eik a1 eik a2 ]
E (k ) Ep | f (k ) |
Ep 3 2 cos k a1 2 cos k a2 2 cos k (a2 a1)
Ep 1 4 cos2( 3kxa / 2) 4 cos( 3kxa / 2) cos(3kya / 2)
EF vF | n |
n C(Vg V0 )
EF2 =( vF )2 C | Vg V0 |
The maximum determines Vg for the given EF.
Mapping Band Structure near K
For different w, the gate voltage Vg determined
dD = 0 x
IV
dD 0
III
Transition IV becomes active Peak shifts to lower energy as D
increases..
Ep vF k '
near K points
P.R.Wallace, Phys.Rev.71,622-
Band Structure of Monolayer Graphere
p-Electron Bands of Graphene Monolayer
Band Structure in Extended BZ
Other Possibilites
• Spectroscopic probe of electronic structure. • Interlayer coupling effect. • Electrical gating effect on optical transitions. • Others
Crystalline Structure of Graphite
Graphene
2D Hexagonal lattice
Band Structure of Graphene Monolayer
H Hat Hint (k )
Tight-binding calculation on bands:
Band Structure near K Points
~10 eV
Relativistic Dirac fermion.
Band Structures of Graphene Monolayer and Bilayer near K
Monolayer
Bilayer
K
x K
x
Vertical optical transition
Graphene
(A Monolayer of Graphite)
2D Hexagonal lattice
Properties of Graphene
Electrically:
High mobility at room temperature, Large current carrying capability
20 m
A
B
RA: bare substrate reflectivity RB: substrate + graphene
reflectivity
-dR/R (RA-RB)/RA versus w
dR/R = -Re[h(w)s(w)]
h(w) from substrate
s(w) from graphene: transitons
d D (Db Dt ) b (Vb -Vb0 ) / db t (Vt -Vt0 ) / dt 0
Lowest peak resistance corresponds to Db = DVtb0=, 0Vt0
.
Optical Transitions in Bilayer
I: Direct gap transition (tunable, <250 meV)
Det
OPA
Gold
Graphene
290-nm
Vg
Silica
Doped Si
Gate Effect on Monolayer Graphene
dR/R
X
XX
2EF
(E) 2E / v2F
Small density of states close to Dirac point E = 0 Carrier injection by applying gate vsEvohF;litfcatagne. bceanshliefatdedtobyla~r0g.e5 FeeVrmwiitehneVrgg~y 50
from maximu(dmR / R)
is different, following
the relationVmod
EF2 ( vF )2C |Vg,V0|
dR/R
2EF
Slope of the line allows deduction of slope of the band
structure (Dirac cvoFne)0.83106 m / s
Differential Bilayer Spectra (dD = 0)
(Difference between spectra of D0 and
I
D=0) I
IV
Larger bandgap stronger
transition I
because ot higher
Charge Injection without Change of Bandstructure (D fixed)
Raman Spectroscopy of Graphene