石墨烯能隙调控的研究进展(2)
时间:2019-03-24 20:39 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
石墨烯是碳原子sp2杂化形成的二文材料，在它的能带结构中，导带与价带在费米能级的优尔个顶点上相交，也就是说，石墨烯是一种零带隙材料，具有金属性。单层石墨烯中sp2杂化的碳原子有一个为成键的电子，该电子处于自由移动状态，因此，石墨烯显示了优良的导电性，其导电率很高，电子迁移速度（超过15000cm2/V•s）与比一般半导体中的电子迁移速度快得多，而且，石墨烯特殊的能带结构又使电子和空穴分离，产生新的电子传导方式，即不规则的量子霍尔效应。虽然石墨烯本身具有如此多的优良性能，但在实际应用过程中却受到了限制，主要是因为石墨烯表现为金属性，不具有半导体在电子器件中灵活的应用方式，所以，若能对石墨烯的电子结构作出调整，使其能够表现半导体的性质，无疑大大扩展了石墨烯的应用前景，这其中的关键就是打开石墨烯的带隙，通过物理或者化学方式形成可调控的带隙。 1.3 石墨烯的研究进展 人们在如何打开和调控石墨烯的能带上做出了大量努力，现如今已有一些基本的手段能够实现调控，比如光刻法切割出纳米带、引入外电压等物理方法或者边缘修饰、掺杂异质元素、氢化石墨烯以及在不同基体上外延生长出石墨烯等化学方法，这些方法中，作为改造对象的石墨烯不尽相同，因为不同的方法能满足的石墨烯结构与调控范围不同，所以，针对不同的应用需求，应采取不同的调控技术手段。 1.4 本设计的研究思路与研究内容 本设计参考了大量文献，搜集近几年来在石墨烯能隙调控上的研究进展，并进行整理分析，将目前采用的主要方法加以分类，详述通过化学修饰方法与利用单层或者双层石墨烯结构特点打开带隙的两大类方法，阐释实现机制与原理，并比较各种方法的调控程度，最后，从近期对能隙调控的研究上看，在能隙调控的同时能够功能化石墨烯，使石墨烯具备另一些性质的方法正成为下一步研究的热点所在。 2 石墨烯的电子结构 石墨烯指单层原子片层，只有一个原子厚度，由 杂化的原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。每一个碳原子通过这种杂化方式与周围三个碳原子成键，形成稳定的优尔边形结构，石墨烯中碳碳键长约为0.142nm。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成结构。在石墨烯中，2s轨道和2px和2py轨道相互作用，电子发生重排，形成三个 杂化轨道。三个 杂化轨道相互作用形成 键，这是一种作用力极强的共价键。 键将电子定域在连接两个碳原子的平面上内，正是这种特性使得碳纳米管和石墨烯具有出色的强度和机械特性。而由2 电子形成的键叫做π键，其成键电子云的分布与碳原子所在的平面呈垂直关系。这种2 电子与原子核的相对作用力较弱，因此相对来说是离域的。这些离域的电子与石墨烯的电学性质紧密相关，而正是这些独特的性质引起了人们强烈的关注。 (责任编辑：qin) |