5.1    研究方法  30 

5.2    结果  31 

5.3 分析与总结  37 结论  3 9 致谢  4 0 参考文献 41 

第 II  页 本科毕业设计说明书

1 绪论

1.1 石墨烯简介

石墨烯（Graphene）是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统 称。本文讨论的是单层石墨烯（图 1.1）。单层石墨烯是指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢 结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料[1,2]。

图 1.1 单层石墨烯

石墨烯作为一种享有盛誉的神奇材料，杨氏模量达 1.0TPa，是已知的最薄、最硬的材料； 它的弹性拉伸变形可以高达 20%，比任何其它材料都要高得多[3]；它的电荷载体表现出巨大 的内在移动性，具有非常好的电子传输特性，其有效质量为零，并可以在室温下无散射地传

导几微米[3]；它的电阻率只有约108   Ω·cm，比铜或银更低，是目前世上电阻率最小的材料，

可以维持比铜高六个数量级的电流密度；它具有良好的导热性，其导热系数高达 5300 W/m·K； 在常温下能观察到量子霍尔效应[4]，是验证相对论的优良材料。

由于这些优良性质，石墨烯在一系列领域都有很大的应用前景。2009 年，斯坦福大学等 研究员成功利用石墨烯制造了 n 型和 p 型晶体管[3]；石墨烯作为基体材料应用于纳机电系统

（NEMS）；石墨烯电阻对吸附分子具有高敏感度，可以作为高灵敏微传感器；高频晶体管、

单电子晶体管、显微滤网等等都是石墨烯的潜在应用价值[5]。

在 2004 年以前，石墨烯一直被认为是假设性的结构即无法单独稳定存在，直到 2004 年 英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通过一种简单的方法从 石墨薄片中剥离出了石墨烯，这才将石墨烯带入了人们的视线。两位教授因此荣获 2010 年的 诺贝尔物理学奖。随后几年又发展了更多的石墨烯制备方法，如撕胶带法/轻微摩擦法[1,3]，碳 化硅表面外延生长法（被认为是得到石墨烯晶片的最佳方案）[3]，金属表面生长法[6]，氧化减 薄石墨片法[7]等。

1.2 关于石墨烯的结构缺陷

尽管完美的石墨烯有这些非常优良的性质，但是由于完美无缺陷的石墨烯缺少带隙，基 于石墨烯的晶体管的切换不具有高开关比，因此有必要通过引入缺陷或加入原子或约束来改

变石墨烯的一些电子性质[8]。通过掺杂分子 NO 或 N O 能在石墨烯中引入 p 类行为[9]。目前

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切割石墨烯产生的一维纳米带已经实现了非零带隙[1]。文献中发现石墨烯中非六原子环的缺 陷比加入原子后形成的结构更稳定[10]。这种结构缺陷可以通过辐射或化学方法来产生[8]。Jafri 等人于 2010 年发现使用湿化学方法引入的石墨烯缺陷可以使石墨烯的导电性提高超过一个 数量级[11]。

图 1.2 石墨烯的各种结构缺陷

石墨烯有两种内部缺陷[8]：点缺陷和线缺陷（图 1.2）。点缺陷主要包括：通过一个 C-C

键旋转 90°形成的 SWD（Stone-Wales Defects）[12]；缺失一个 C 原子后形成的 Monovacancy

（又称为 V1 缺陷，常见的为 V1(5-9)缺陷）；缺失两个 C 原子形成的 Divacancy（又称为 V2

缺陷（图 1.3），常见的有 V2(5-8-5)，V2(55-77)，V2(555-777)，V2(5555-6-7777)等结构）。