第一章 引言
石墨烯（Graphene）是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，单层厚度只有0.335纳米,是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元[1]，如图1.1所示。石墨烯独特的电子结构和载流子特性，为研究量子电动力学现象提供了理想的平台。石墨烯具有优异的电学、热学和力学等物理性能和化学性能，可望成为高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等新一代器件的核心材料。因此，石墨烯具有重要的理论和实践研究价值。 2004年，英国曼彻斯特大学研究小组用机械剥离法制备出了石墨烯。为了表彰他们对石墨烯研究所做的卓越贡献，瑞典皇家科学院将2010年诺贝尔物理学奖授予安德烈・海姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫两位科学家。
1.1石墨烯的结构和性质
1.1.1石墨烯的电子结构
石墨烯是由单层六角元胞碳原子组成的二维蜂窝状晶体，完美的石墨烯是二
维的,它只包括六角元胞(等角六边形)，如图1.2所示。每个碳原子最外层的s电子与两个p电子形成sp2轨道杂化[2,3]，因而每个碳原子与其最邻近的三个碳原子通过σ键相连，键间夹角均为120°。另一个p电子轨道长轴与石墨烯所处平面垂直，设p电子轨道为pz，与相邻碳原子的p电梯门机z电子形成π键，所有的π键在xy平面内形成了大π键，对应的电子称为π电子。此时π键为半填满状态，所以电子可在二维晶体内自由移动，赋予石墨烯良好的导电性和其他独特的电学性质。
1.1.2石墨烯的基本性质
石墨烯具有一系列优异的性能[4]。由于完美的成分和高度有序的晶格结构，石墨烯表现出
异乎寻常的高晶体学质量，在室温下能很好地保持其二维特性，具有很高的载流子迁移率,室温下为20万cm2/Vs，是硅的100倍，并且受温度和掺杂效应的影响很小，可以不受晶格缺陷和杂质原子的散射来进行传输，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性。
石墨烯在物理方面的性能[5]，石墨烯中各碳原子的连接非常柔韧，具有很好的伸展性,是目前世界上已知的强度最高的材料，达130GPa。石墨烯特殊的结构决定其热稳定性不随温度而改变，导热率最高，导热系数为3000～5000W/（m·k),是金刚石的3倍。石墨烯也是目前已知导电性能最出的材料，其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。此外，石墨烯还具有许多优异的性能：如较高的杨氏模量(～1100GPa)；非常大的比表面积，高达2630m2/g；半整数量子霍尔效应；可以吸附和解析各种原子和分子等。这些特殊的二维结构及其优越的性质使得石墨烯拥有非常美好的发展前景。
1.2石墨烯的应用
1.2.1 良好的物理实验平台
西电理学院
石墨烯独特的电子结构以及其载流子，为粒子物理中难以观察到的相对论量子电动力学效应的验证提供了便捷的手段[6]。如瑞典物理学家Oskar Klein 提出的Klein隧穿。Klein隧穿是指对于垂直入射的无质量粒子不存在隧穿势垒，并且在某些条件下其势垒穿透率随能量振荡。长期以来，即使从原理上人们也不确信这一极不寻常的量子电动力学的预测能否被验证。然而基于石墨烯独特的载流子特性，在2006年安德烈・海姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫提出了利用石墨烯验证该理论预测的可能性，2009年哥伦比亚大学的Young和Kim利用石墨烯异质结构从实验上验证了该理论。再如，一般半导体中电子的能量和动量之间具有二次方关系，但在石墨烯中这一关系却是线性的，也就是说石墨烯中的电子是标准的狄拉克-费米子。这为检验量子电动力学提供了一个简单的途径。
1.2.2 超高速FET及激光器
利用石墨烯的高载流子迁移率及高迁移速度制作的直流放大器THz频率的晶体管。理论上估计其工作频率可达到10THz。美国科学通报IBM公司与韩国三星尖端技术研究所（SAIT）分别在2010年lip12月举行的半导体制造技术相关国际会议上发布了通道层使用石墨烯的高速动作型RF电路用FET（电场效应晶体管）。IBM的石墨烯FET的最大截止频率高达240GHz。在不久的将来，
石墨烯FET的性能很可能会达到甚至超过600GHz以上的化合物半导体HEMT（高电子迁移率晶体管）的同等水平。
不过，目前已实用化的绝大部分石墨烯电场效应晶体管为放大器及高灵敏度气体传感器元件等RF电路用FET。逻辑电路用FET还未研制出来，这是因为单层石墨烯没有带隙，无法充分实现逻辑电路必须的晶体管“关断”功能。但这一问题正在研究中。
石墨烯还能用来制造激光元件。日本东北大学研究小组，目前正以利用石墨烯开发超高输出功率的超短脉冲激光元件为目标进行研究。据该大学介绍，其关注点是，石墨烯采用电子与正孔对称的能带构造，而且具备容易实现较大载流子密度的性质。
1.2.3 透明导电膜
石墨烯具有非常高的载流子迁移率和厚度最薄质量最轻等优点。因为载流子迁移率非常高，即便载流子密度较低，导电性也不会下降很多。况且载流子浓度较低的话，会容易穿过更大波长范围的光。相当于单个原子的超薄厚度同样有助于提高透明性。不仅是可见光，还可透过大部分红外线。因此，石墨烯是透明导电膜的最佳选材，明导电膜很可能会
作为ITO的替代材料用于商业化，可用于触摸面板、柔性液晶面板、太阳能电池及有机EL照明等。
1.2.4 其它可能的应用
除了在超高速FET及激光器和透明导电膜领域的应用外，石墨烯在其它领域也有广阔的应用前景，如石墨烯场效应晶体管、量子计算机、自旋电子学、化学/生物传感器、减少噪声等[2,5,7]。
1.3 石墨烯的制备
制备石墨烯的方法有很多，有微机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法、加热SiC分解法、溶剂剥离法、电化学法、石墨插层法、取向附生法以及由纳米管制造石墨烯带等[7,8,9]。下面介绍最为典型的几种方法：
1.3.1 微机械剥离法
2004年，英国曼彻斯特大学研究小组用微机械剥离法首次从三维的石墨中提取出了石墨烯
材料。他们将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二邓景辉。不断重复这一过程，就可以制得了石墨烯。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产的要求，目前只能作为实验室科研的需求。
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