石墨烯的光电特性

石墨烯的光电特性

One,seven

北京邮电大学计算机学院

摘要：石墨烯基础材料的光电性能被调查，特别是研究具有氧化石墨单层的石墨烯氧化物的物理和化学性质和它的化学简式与石墨的不同。尽管氧化石墨在一百多年前就被Brodie（在1859年）合成，但直到现在特殊层还没被深入研究，与我们正在研究的石墨烯氧化物比较，物理学家在原始石墨烯(石墨的一个层)发现了卓越的物理输送特性同时也显示石墨烯在纳米电子方面的潜力;这提高我们对包括石墨烯氧化物在内的化学法改变石墨性质的兴趣。

关键字：石墨烯，光电性

1.引言

石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。作为一种零带隙的半导体材料,石墨烯具有极高的载流子迁移率和特殊的输运特性,在场效应晶体管、光伏电池、液晶显示等领域具有应用前景。

2. 石墨烯基础材料的光电特性

2.1石墨的结构和其电气性能

石墨完全由碳原子组成，图表2-1显示了三维碳堆积结构的例子。如石墨架构图所示，每个碳原子通过共价键与其他三个碳原子形成一个完全的两空间层，每一层通过范德华力键合，因为范德华力作用力远远比共价键弱得多，所以石墨在每一层的每个方向上都可以裂开。为了得到一个单层的石墨烯，很多人尝试剥离大块石墨。据目前报道石墨可以通过简单的微机械分裂技术剥离成一层或者少数层。这开辟了关于石墨烯的凝聚态物理学研究新领域。

有趣的是石墨烯这种材料展现电场效应，它说明石墨烯可以作为晶体管，图表2-2的场效应晶体管（FET）可以由石墨烯实现，根据石墨烯FET的电流结果可知，材料的导电率以独特栅极电压函数的方式改变。

石墨烯的栅极依赖关系总结在图表2-3，在图中可以看出，电阻率的变化取决于提供的栅极电压。通过提供一个高的栅极电压电阻率被大大地减少（无论是积极的还是消极的）。对比单壁的碳纳米管的栅极依赖关系，石墨烯栅极依赖关系是十分特殊的。如2-4所示，通过增加栅极电压，单壁碳纳米管的导电率被减少，由于只含有空穴载流子，所以石墨烯被误认为P型半导体。顺便说，石墨烯同时表现出P型和S型半导体的特征，这被理解为材料同时带有空穴和电子，这些可以被提供的栅极电压控制，当温度降低时，栅极电压的影响变得越来越明显。

图表2-5还总结了石墨烯的其他的方面性质，如图2-5（a）所示，薄片的厚度增加，栅极偏置效果消失，大块石墨只是简单导电而没有依赖于栅极。石墨烯应用电流和电压之间呈线性关系。此外，电场影响在低温下（—4K）提供一个磁场的情况下可以量子化（量子霍

尔效应）（QHE）。一系列结果表明石墨烯具有有趣的电子性质。实际上物理是如此迷人，许多人认为这是一个凝聚物质物理学的新分支，在过去的几年里，世界各地的研究石墨烯的人员已经暴涨。

2.2石墨烯作为传感材料的应用

利用石墨烯板材的电气性能，你可以考虑把它们作为测量待定气体分子的传感器的材料，单壁碳纳米管已经应用在这方面了。在图表2-6（a）中，栅极效果暴露了半导电单壁碳纳

米管对两种气体过分依赖这个缺点。所依赖的气体如NO

2和NH

3

，表格中的曲线分别向正向

或者反向运行，我相信空隙载流子的数量的改变由气体分子的约束力决定。减小吸附的NH

3

的数量理应会减少电导率，相比之下，减少吸附的NO

2

的空穴载流子的数量，电导率反而增

大。结果表明即使小气体量（一个很低浓度）也可以被单壁碳纳米管检测到。（图表2-6（b））

气体中，栅极依如图表2-7（a）所示，石墨烯表现出一个相似的行为，当暴露在NO

2

赖关系会漂移向积极一边。以单壁碳纳米管为例，这可以理解为对材料掺杂额外的空穴载流子，所以两种载流子的均衡被改变。而且，石墨烯器件能检测表面单分子的剥离或者附着状态，电阻的变化步骤在图表2-6（c）中显示，表示电阻变化的量化，电阻的变化被认为由单分子的附着或者剥离状态决定。

2.3石墨烯的光学可视化和表征

考虑到石墨烯的厚度理想值是 3.4A，你很难认为这种材料可以被光学显微镜视像化，但是，是可以看见的当单层石墨烯放在在硅表面生长的电介质膜表面上是可以看见的。通过控制介电薄膜的厚度可以增加石墨烯的可见性。在图表2-8（a）中,显示不同层的石墨烯的对比。能见度低的原因是因为表面沉积区的光路径和介电薄膜的裸露面不同的,这为一定值

的介电层厚度对比提供理由。当单层的光学性质符合，它表示数值比大部分性质数值小，研究人员把这个现象归结于当材料极薄(小于3 ~ 4nm)时，夹层的相互作用减小。对比是通过减去来自材料的反射率的电介质膜反射率和划分与介电膜的反射率来进行的。考虑到一个单层的最大值是-0.1，材料和介电层的反射率只有10%的不同。

2.4石墨烯氧化物的独特性

石墨烯氧化物和石墨烯的不同处在于表面的许多化学官能团。首先，石墨烯氧化物是一种由氧和碳组成的整比化合物，元素分析表明，石墨烯氧化物的碳氧比接近C:O(2:1)。通过化学法和热处理可以降低氧气的比例，最低值可以达到C:O(20:1).材料的唯一性在于范围内可以控制比例，材料的碳氧比不同，它们的电学性能和光学性能也会不同。其次，在石墨烯氧化物表面的化学官能团是具有化学活性的而且很容易被功能化，这是材料的一个很大优势，被认为是水蒸气和液体传感器的潜在材料。最后，石墨烯氧化物是亲水性的。考虑到石墨烯由于具有高疏水性而不可能作为填料，石墨烯氧化物可以很好地分散开来。由于它的高溶解性，石墨烯氧化物在制备新型材料特别是制备纳米复合材料（仅仅通过和其他材料混合）具有很大应用前景。

3.石墨烯基底材料的光学特性

3.1概述

在这光学特性部分，为研制石墨烯基底材料的光学方法出现了。本研究和其他小组合作完成，其他小组的工作会得到介绍的，我们工作的主要优势是我们可以更彻底地研究绝缘材料的影响。例如，我们改变绝缘材料的光学性质和厚度一样，所以材料和介电膜的高度对比就可以得到，我们获得比介电层反射率高12倍的单层石墨烯氧化层（-1nm）反射率。使用优化的基底，光学性质估计有实质性的意义，使用这方法的拟合值和椭圆光度法得到的值比较会提高。

光学方法依据经典薄膜光学给出这个论点。在图表3.1-1，简单的图表显示了我们研究用的两种计算方法的差异，第一种方法利用通过计算材料和介电层表面的反射率来获得材料和基底的对比，椭偏仪更传统。在该方法中，两束偏振光会被使用，并且两束光的比例会被计算和测量。在我们的研究中，成像和薄材料的表征都使用了成像椭偏仪。