光电子学论文

石墨烯光电材料研究进展

摘要：首先对石墨烯进行简单的介绍。然后结合其性质，介绍了石墨烯复合光电功能材料的应用。最后介绍了最新的研究进展。

关键词：石墨烯；复合；光电；进展

Research Progress of Graphene Optoelectronic Materials Abstract: First of all, the Graphene was introduced briefly. And then combined with its properties, applications of Graphene compound optoelectronic materials were introduced. Finally, the newest research progress was introduced.

Key words: Graphene; compound; optoelectronic; progress

1 引言

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。其结构示意图如图1。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖[1]。

图1 石墨烯的结构示意图

硅基集成电路芯片技术正在逼近摩尔定律的物理极限，于是半导体纳米材料与技术成了纳米科技中研究最为活跃、应用最为广泛的前沿领域。二维纳米材料石墨烯的发现为新型纳米器件的设计与制备注入了新活力。科学家预言石墨烯可望替代硅材料成为后摩尔时代电子器件发展的重要角色[2]。近年来，与石墨烯相关的材料制备、表征、功能器件设计等一系列理论与实验工作蓬勃发展[3-4]，进展迅速。本文着眼于石墨烯复合光电功能材料，综合论述了材料的性能。

2 石墨烯的基本性质及应用

2.1 石墨烯的基本性质

（1）力学性质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，也就保持了结构的稳定。美国哥伦比亚大学的研究小组经过大量实验，发现石墨烯是目前已知的最硬材料。他们选取10-20微米的石墨烯微粒作为研究对象。实验发现，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可达2.9微牛。

（2）热学性质石墨烯是一种稳定的材料。在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以它的发现立即震撼了凝聚态物理学界。虽然理论和实验都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验室中被制备出来了，这归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排列而成的碳单质，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，即六边形晶格中的碳原子全都没有丢失或发生移位。各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。因此，碳原子就不需要重新排列来适应外力，也就保持了结构的稳定。

（3）电学性质稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，石墨烯中电子是没有质量的，而且是以恒定的速率移动，石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导等于2e2/h，6e2/h，10e2/h，…，为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为电子在石墨烯里有效质量为零，这和光子的行为极为相似；不管石墨烯中的电子带有多大的能量，电子的运动速率都约是光子运动速率的三百分之一，为106m/s。石墨烯的室温量子霍尔效应，无质量狄拉克费米子型载流子，高达200000cm2/V·s 的迁移率等新奇物性相继被发现。在室温下有微米级的平均自由程和很长的相干长度。石墨烯是纳米电路的理想材料，也是验证量子效应的理想材料。

石墨烯具有明显的二维电子特性。近来所观到的显著的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，证实了石墨烯是未来纳米电子器件的极有前景的材料。在2006 ~ 2008年间，石墨烯已被制成弹道输运晶体管，人们不仅成功地制造了平面场效应管而且观测到了量子干涉效应，引起大批科学家的兴趣。中国科学院物理研究所、北京凝聚态物理国家实验室闫新中研究员与美国休斯顿大学丁秦生教授合

作，对于石墨烯中狄拉克费米子在有限力程杂质散射情况下的输运问题进行了研究，在自洽玻恩近似下，通过求解电流—电流关联函数的顶角修正及粒子—粒子传播的矩阵积分方程，计算了电导率及其量子干涉修正。在带电粒子杂质散射情况下，发现局域化现象存在于有限浓度载流子的大块样品中，对于小样品在低温下局域化非常弱。在接近于载流子浓度为零的区域内，体系会是反局域化的。同时，计算给出的最小电导率与实验值非常接近。

2.2 石墨烯的应用

基于石墨烯具有优良的力学、热学和电学性质，因此其应用范围非常的广泛，从电子产品到防弹衣和造纸，甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。以下主要介绍石墨烯复合光电功能材料。

（1）石墨烯基发光二级管

发光二极管是半导体器件中的重要成员，它们在照明、显示、通信等领域发挥着重要作用。目前，GaN 在这一领域占据着主导地位。然而，GaN材料的生长通常需要在与之晶格匹配的蓝宝石衬底上在1000℃以上的高温下生长，而进一步发展柔性器件尚需通过复杂的工艺将GaN从外延衬底上剥离。这些不足大大限制了GaN器件的发展。而石墨烯这种可从层状结构中简单剥离的材料则为解决这一问题提供了很大的方便。韩国首尔国立大学的研究人员[5]在多层石墨烯上密排的ZnO纳米棒为过渡层生长了高质量的GaN外延薄膜，制备获得了发光二管，并进一步实现了将这些功能器件向玻璃、金属、塑料等不同衬底的转移。这种器件既展示了GaN半导体的发光特性，同时利用了石墨烯的电学与机械特性，为后续电子学与光电学器件的集成设计提供了灵活的思路。

基于石墨烯透明、导电的特性，北京大学的研究人员将其应用于有机电致发光器件，制备了Al/ glass/multilayered grapheme/V2O5/ NPB/CBP:(ppy)2Ir(acac)/B phen/ Bphen:Cs2CO3/Sm/Au多层结构的发光二级管，获得了较高的发光效应。这一研究结果表明，石墨烯可作为良好的有机发光的阳极材料，器件的性能可望通过优化石墨烯的导电性、透光性等进一步提升[6]。利用类似的特性，斯坦福大学和南开大学[7]合作用溶液方法将石墨烯制作成有机发光器件的电极，获得Alq3的发光。此外，国外一些研究组[8-9]还制备了电化学发光器件，可望发展为低驱动电压、低成本、高效率的LED。

（2）石墨烯基太阳能电池

石墨烯在能量转换方面的应用是目前石墨烯研究中最活跃的方向之一。基于