石墨烯的光电特性

安德烈·盖姆
康斯坦丁·诺沃肖洛夫
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov，首次成功分离出石 墨烯，两人在2010年共同获得诺贝尔物理学奖。
石墨烯简介
“二维结构”从想象到现实
石墨烯是-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，电子显微镜下观测的石墨烯，其碳原子间距仅0.142纳米。
纳米电子 器件
作为超级 电容器的
研究
触摸屏
应用及展望
重防腐涂料 海洋重 防腐
电子通 可穿戴带电子、触摸屏、集成电
讯
路、传感器
纳米碳材料、飞 机材料
航天新材 料
基因测序、医疗检测 设备、抗菌设备
生物 医药
新能源 太阳能光伏材料
锂电池 电池
石墨烯锂硫电池、 超级电容器
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原子结构
每个碳原子可以和周围的三个碳原子结合在平面上形成 三个σ键。另外一个2p电子在垂直于平面的方向形成π键。
原子结构
一个2s轨道上的电子被激 发到2Pz轨道上,另一个2s电子 与 2Px ， 2Py 上 的 电 子 通 过 sp2 杂化形成三个杂化轨道。
原子结构
原子结构
能带结构 紧束缚近似模型
石墨烯替代ITO
柔性 透光率 原料成本 工艺设备 废旧处理
石墨烯导电膜 优异，弯曲半径3mm
97.7%
ITO(氧化铟锡) 弯曲半径5cm;易破碎
85%-95%
来源丰富，成本低 工艺简单 废旧易处理
金属铟昂贵
设备要求低真空制备， 维护成本高
重金属有毒性，回收成 本高
应用
锂离子电 池电极材
料
半导体光 电器件
Klein隧穿
石墨烯中的Dirac电子存在向后散射缺失，故其 具有相当高的电子迁移。
Klein隧穿
03
石墨烯的光学性质
光学特性
➢ 石墨烯具有 优异的 光学性能。
➢ 单层石墨烯吸收2.3% 的可见光。
➢ 如图从基底到单层石 墨烯、双层石墨烯的 可见光透射率依次相 差2.3%。
05
应用及展望
应用及展望
石墨烯简介
石墨烯可看作是其他维数碳质材料的基本构建模块，它可以被包成零维的 富勒烯（左），卷成一维的碳纳米管（中）或堆叠成三维的石墨（右）。
02
石墨烯的电学性质
电子结构
碳原子基态电子结 构为: 1s2s2p2。 石 墨里，每个碳原子 采取sp2杂化，形成 3个σ键,剩下一个p电 子。这些电子可以 在整个碳原子平面 上自由移动。
➢ 零带隙半导体
Wallace在1947年计算出的石墨烯紧束缚 能带结构图，右边放大部分为K附近线性的色 散关系
能带结构 紧束缚近似模型
能带结构 狄拉克电子的性质
行为类似于介质中的光子
反常量子霍尔效应
霍尔效应
反常量子霍尔效应
二维电子气处在强磁 场下表现出一种奇特 的量子效应。
连续的能带结构可以 忽略朗道能级之间的 录
CONTENTS
01
石墨烯简介
02
石墨烯的电学性能
03
石墨烯的光学性能
04
石墨烯化学
05
应用及展望
01
石墨烯简介
石墨烯简介
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成 六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优异的力学、电学 和热学性能。
石墨烯简介