石墨烯在半导体光电器件中的应用

石墨烯在半导体光电器件中的应用10级电科1班黄宇轩20101120106

摘要：归于石墨烯透明、软性、能带结构连续可调、电子迁移率高等一系列优点，着眼于石墨烯与其他半导体光电功能材料的复合，综述了石墨烯在有机场效应晶体管(OFET)、有机发光二级管(OLED)、有机太阳能电池(oSC)等有机光电器件领域的应用研究现状，展望了石墨烯在有机光电器件领域未来的发展前景。

1引言

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[1]。2010年诺贝尔物理学奖更是将石墨烯推成了纳米材料新贵[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研究工作蓬勃开展，进展迅速。在三维金刚石、石墨、C。。、一维碳纳米管等碳元素家族材料相继被发现的基础上，2004年美国曼切斯特大学的Geim等[1]用机械剥离的方法从石墨碎片中剥离出较小的石墨片，再用特殊的胶带黏住碎片两侧并反复撕扯，通过观察得到的样品，发现其中一些仅由一层碳原子组成，这种样品即为二维碳材料——石墨烯。石墨烯的发现推翻了“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”[21的理论。石墨烯不仅有特殊的二维平面结构，而且有优良的力学、热学、电学、光学性质。

虽然单层石墨烯厚度仅为0．335nm，但是其机械强度很大，断裂强度比优质的钢材还要高，同时又具备良好的弹性、高效的导热性、超强的导电性。石墨烯是一种禁带宽度几乎为零的特殊材料，其电子迁移速率达到了1／300光速。由于石墨烯很薄，所以几乎是透明的，对通过它的光仅吸收2．3o／／ooE3|。鉴于此，科学家认为石墨烯可以作为一种新型透明传导介质，在制作电极方面可以代替传统的金属电极。透明电极是制作光电器件的重要材料，到目前为止，ITO玻璃占据了透明电极的主要市场，但是由于铟的稀缺而导致成本增加，生产工艺复杂，对酸性环境很敏感，表面相对很粗糙，而且，当弯曲时ITO玻璃很容易发生破碎和断裂[4]。而石墨烯则可以弥补ITO玻璃的上述不足，在制作透明传导介质方面可以代替ITO玻璃，表现出更高的电子迁移率和透光性。虽然研究尚处于初级阶段，但是相比于传统的透明导电材料，石墨烯已经表现出诸多潜在优点口]。国内外很多研究小组的研究表明，在有机光电器件上石墨烯将发挥重要作用。2石墨烯的基本性质

石墨烯具有独特的二维结构，并且能分解为零维富勒烯，也可以卷曲成一维碳纳米管，或堆积成为三维石墨[6]。石墨烯力学性质高度稳定，碳原子连接比较柔韧，当施加外力时，碳原子面就会发生弯曲形变。韩同伟等口]对单层和多层石墨烯的弛豫性能进行了分子动力学模拟，模拟了石墨烯在弛豫过程中的动态平衡演化过程，以考察石墨烯在自然状态下的本质结构特征。在理想的自由状态下，单层石墨烯并非完美的平面结构，表面不完全平整，在薄膜边缘处出现明显的波

纹状褶皱，而在薄膜内部褶皱并不明显，多层石墨烯边缘处的起伏幅度要比单层石墨烯稍小。这也说明了石墨烯在受到拉伸、弯曲等外力作用时仍能保持高效的力学稳定性。在石墨烯样品开始碎裂前，每lOOnm距离上可承受的最大压力为2．99Nc8I。由于石墨烯特殊的单层的结构，可以使光基本无阻碍地穿过它。从本质上说，在石墨烯与电磁波作用的过程中，石墨烯对光辐射的反射和吸收均很弱，从而导致透光率很高，在波长为550nm处透光率为96．3％0，因此在制作透明电极、触摸屏等电子器件方面有着不可替代的作用。石墨烯可以作为一种良好的导热物质，可以快速地传导热量，具备突出的导热性能(3000W／(ril·K))。理论和实验都认为完美的二维结构无法在非绝对零度下稳定存在，但是

单层石墨烯却被制备出来，这归结于石墨烯在纳米级上的微观扭曲。目前研究者仍未发现六边形晶格中的碳原子有发生位移的情况，从而也解释了石墨烯的优良的热学性质。石墨烯中电子迁移速率是光速的1／300(106m／s)，表现出了异常的整数量子霍尔行为，其霍尔电导等于2e2朋、6e2肺、10矿／矗…，为量子电导的奇数倍[9]，且可以在室温下观察得到，无质量狄拉克费米子型载流子迁移率高达200000cm2／(V·s)。石墨烯的功函数与铝的功函数相近，约为4．3eV[1…，因此在有机光电器件中有望取代铝来做透明电极。近年来所观测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光电器件领域极有前景的材料。

3石墨烯的制备

最初，石墨烯是用“胶带撕扯”即微机械剥离的方法制得的，所得石墨烯质量高、成本低，只适合实验室作一般研究。目前，实验室已经发展了多种石墨烯的制备方法，如化学气相沉积法Ⅲ1…、液相剥离法[1…、氧化还原石墨法[1…、热分解SiC法[19,zo]。此外，还有不常用的电化学方法[2“、溶剂热法‘223等。化学气相沉积法(CVD)-“_15]应用最广泛，是将两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。该方法可以获得面积较大、形貌比较均一、不含或者含有少量杂质的石墨烯，但受衬底、前驱体和温度影响较大[】引，利用对碳的溶解性低的金属来制备大面积高质量的石墨烯更有优势。液相剥离法[173可在有机溶剂中制备较高质量的石墨烯，但是产量并不高，限制了其商业应用。氧化还原石墨法[18]已比较成熟，氧化石墨

的层间距为0．7～1．2nm，比纯石墨的层间距大，有利于其他物质的插人进而使其分散，再进行还原后可得到石墨烯，过程操作简单，成本较低，但由于氧化石墨还原不彻底等原因，所得到的石墨烯结晶程度和规整度均有缺陷。热分解SiC[19,20]通常会产生比较难以控制的缺陷以及多晶畴结构，很难获得较好的长程有序结构。

4石墨烯在有机光电器件领域的应用

Geim研究组发现，在室温条件下石墨烯仍然具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(约]0am／(V·s))，受掺杂和温度变化等的影响并不大，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300K时可达o．3m)，成为石墨烯作为纳米级电子器件的亮点。由于石墨烯与相邻物质接触紧密而产生较低接触电阻有助于迸一步缩短器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样能保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。在有机场效应晶体管(OFET)、有机电致发光器件(OLED)、有机太阳能电池(OSC)等有机电子器件领域，石墨烯可用于制作透明电极和透明传导薄膜等，具有不可替代的优势，是目前的研究热点。

4．1在有机场效应晶体管中的应用

有机场效应晶体管(OFET)自从1987年首次出现以来，尤其是在最近两三年，已经取得了长足的发展，成为最为重要的有机电子器件之一。目前，晶体管中的源／漏电极材料大多为金属电极，其中以金和铝居多，但是金属电极接触面处阻抗很大，反应不灵敏，能耗高，不透光，