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石墨烯的结构性能
摘要:石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料,它是由碳原子组成的二维六角点阵结构,具有单一原子层或几个原子层厚。石墨烯因其具有独特的电子能带结构和具相对论电子学特性,是迄今为止人类发现的最理想的二维电子系统,且具有丰富而新奇的物理特性。本文详细介绍了石墨烯的结构,特殊性能以及对石墨烯原胞进行了5×5×1的扩展,通过密度泛函理论( DFT) 和广义梯度近似( GGA)对50个碳原子的本征石墨烯超晶胞进行电子结构计算。
关键字:石墨烯,结构,特殊性能,超晶胞,电子结构计算
引言
石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中,,。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元:例如:石墨,碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景正因为如此,石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯是一种没有能隙的半导体,具有比硅高100倍的载流子迁移率,在室温下具有微米级自由程和大的相干长度,因此石墨烯是纳米电路的理想材料,石墨烯具有良好的导热性[3000W/(m·K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积(2630mZ/g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及
复合材料等领域有光明的应用前景
石墨烯的特殊性能
石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料,在靠近布里渊区6个角处的低能区,其E-k色散关系是线性的,因而电子或空穴的有效质量为零,这里的电子或空穴是相对论粒子,可以用自旋为1/2粒子的狄拉克方程来描述。
石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm/(V·s)(载流子浓度n≈10 cm ),在10~100K范围内,迁移率几乎与温度无关,说明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散射,因此,可以通过提高石墨烯的完整性来增加其迁移率,长波的声学声子散射使得石墨烯的室温迁移率大约为200000cm /(V
·s),其相应的电阻率为lO -6 ·cm,比室温电阻率最小的银的电阻率还小。硅的电子迁移率为l400cm2/(),电子在石墨烯中的传输速度是在硅中的100倍,因而未来的半导体材料是石墨烯而不是硅。这将使开发更高速的计算机芯片和生化传感器成为可能。但是当石墨烯生长在siO2衬底上时,由于衬底的光学声子对电子的散射比石墨烯本身对电子的散射要强很多,导致电子的迁移率下降为40000cm /(V·s)。同时,人们也研究了化学掺杂对石墨烯载流子迁移率的影响。Schedin等发现,即使杂质浓度超过10 cm ,载流子迁移率也没有发生变化。Chen等研究发现,低温和超高真空的环境下,对石墨烯掺杂金属钾可以使载流子的迁移率下降至原来的1/20左右,而当加热石墨烯,去除掺杂的钾后,载流子的迁移率又可以恢复到以前的水平。石墨烯独特的电子特性产生了一种令人预想不到的高不透光性,这种单原子层对白光的吸收率是一个非常令人惊奇的数字:a≈%,a是精细结构常数。
石墨烯的电子特性可以用传统的紧束缚模型来描述,在这个模型中,电子能量与波数可以用式(1)来表示:
其中: =,a为晶格常数