石墨烯的布局、狗万平台性子及应用偏向

日期:2021-04-07 15:15:18 | 人气:

  1.石墨烯(Graphene)的布局

  石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道构成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的二维原料。如图1.1所示,石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2界说每个原胞内有两个原子,别离位于A和B的晶格上。C原子外层3个电子通过sp²杂化形成强σ键(蓝),相邻两个键之间的夹角120°,第4个电子为民众,形成弱π键(紫)。石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm,每个晶格内有三个σ键,全部碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直,且以肩并肩的方法形成一个离域π键,其贯串整个石墨烯。

  

石墨烯的机关、狗万平台性质及应用方向

  图 1.1(a)石墨烯中碳原子的成键情势 (b)石墨烯的晶体布局

  如图1.2所示,石墨烯是富勒烯(0维)、碳纳米管(1维)、石墨(3维)的根基构成单位,可以被视为无穷大的芬芳族分子。形象来说,石墨烯是由单层碳原子细密会萃成的二维蜂巢状的晶格布局,看上去就像由六边形网格组成的平面。每个碳原子通过sp²杂化与周围碳原子组成正六边形,每一个六边形单位现实上雷统一个苯环,每一个碳原子都孝顺一个未成键的电子,单层石墨烯的厚度仅为0.335nm,约为头发丝直径的二十万分之一。

  

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  图1.2石墨烯原子布局图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨表示图

  石墨烯凭证层数分别,大抵可分为单层、双层和少数层石墨烯。前两类具有相似的电子谱,均为零带隙布局半导体(价带和导带相较于一点的半金属),具有空穴和电子两种情势的载流子。双层石墨烯又可分为对称双层和差池称双层石墨烯,前者的价带和导带微打仗,并没有改变其零带隙布局;而对付后者,其两片石墨烯之间会发生明明的带隙,可是通过计划双栅布局,能使其晶体管呈示出明明的关态。

  单层石墨烯(Graphene):指由一层以苯环布局(即六角形蜂巢布局)周期性细密会萃的碳原子组成的一种二维碳原料。

  双层石墨烯(Bilayer or double-layer graphene):指由两层以苯环布局(即六角形蜂巢布局)周期性细密会萃的碳原子以差异堆垛方法(包罗AB堆垛,AA堆垛,AA‘堆垛等)堆垛组成的一种二维碳原料。

  少层石墨烯(Few-layer or mulTI-layer graphene):指由3-10层以苯环布局(即六角形蜂巢布局)周期性细密会萃的碳原子以差异堆垛方法(包罗ABC堆垛,ABA堆垛等)堆垛组成的一种二维碳原料。

  石墨烯(Graphenes):是一种二维碳原料,是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。

  因为二维晶体在热力学上的不不变性,以是不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整,而是在外貌存在本征的微观标准的褶皱,蒙特卡洛模仿和透射电子显微镜都证明白这一点。这种微观褶皱在横向上的标准在 8~10nm 范畴内,纵向标准或许为 0.7~1.0nm。这种三维的变革可引起静电的发生,以是使石墨单层轻易聚积。同时,褶皱巨细差异,石墨烯所示意出来的电学及光学性子也差异。

  

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  图1.3 单层石墨烯的典范构象

  除了外貌褶皱之外,在现实中石墨烯也不是美满存在的,而是会有各类情势的缺陷,包罗描摹上的缺陷(如五元环,七元环等)、朴陋、边沿、裂纹、杂原子等。这些缺陷会影响石墨烯的本征机能,如电学机能、力学机能等。可是通过一些工钱的要领,如高能射线照射,化学处理赏罚等引入缺陷,却能故意的改变石墨烯的本征机能,从而制备出差异机能要求的石墨烯器件。

  2.石墨烯的性子

  2.1 力学特征

  在石墨烯二维平面内每一个碳原子都以σ键同相邻的三个碳原子相连相邻两个键之间的夹角120°,键长约为0.142nm,这些C-C键使石墨烯具有精采的布局刚性,石墨烯是天下上已知的最平稳的原料其本征(断裂)强度可达130GPa,是钢的 100多倍杨氏(拉伸)模量为1100GPa。云云高强轻质的薄膜原料有望用于航空航天等浩瀚规模。

  2.2 电学特征

  石墨烯的每个晶格内有三个σ键,全部碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直,且以肩并肩的方法形成一个离域π键,其贯串整个石墨烯。π电子在平面内可以自由移动使石墨烯具有精采的导电性石墨烯奇异的布局使其具有室温半整数目子霍尔效应,双极性电场效应,超导电性,高载流子率等优秀的电学性子,其载流子率在室温下可到达 1.5&TImes;10-1.S6m/s,是光速的1/300)越过禁带进入能量较高的空带,空带中存在电子后成为导带,价带中穷乏一个电子后形成一个带正电的空位,成为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称为电子-空穴对,则电子,空穴能自由移动成为自由载流子。它们在外电场浸染下发生定向行为形成宏观电流,别离成为电子导电和空穴导电。