【正文】 此外，我要感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、班主任老師及輔導(dǎo)員為我們提供舒適、安心的學(xué)習(xí)環(huán)境去完成畢業(yè)論文，感謝我的同學(xué)尤 其是我的舍友，在文獻(xiàn)搜集及論文排版過程中給我的幫助，最后感謝本篇 論文中所涉及的各位學(xué)者，如果沒有各位學(xué)者的研究，我將很難完成這篇論文。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅提高了我獨(dú)立解決問題的能力，而且提高了我的外文閱讀和查閱文獻(xiàn)的能力，培養(yǎng)了我認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、一絲不茍的學(xué)習(xí)態(tài)度。 希望我們的發(fā)現(xiàn)會豐富分子電子學(xué)中碳基材料的進(jìn)一步研究。 富勒烯分子顯示了它們在構(gòu)建納米級電子器件的巨大潛力，因?yàn)樗鼈冇腥菀孜针娮拥?LUMO 軌道，它們的球形結(jié)構(gòu)可以很好地預(yù)測自組裝過程。所以，為了更好的掌握它的屬性，深入探究它的性能，構(gòu)建特殊新穎的結(jié)構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)大規(guī)模，大小和層數(shù)都能控制的石墨烯的合成，進(jìn)一步深入的研究是必然的。 總結(jié)和未來的方向 2020年以來 [25]，石墨烯的研究已經(jīng)從大量的理論和原理的領(lǐng)域，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域?；谶吘壍念愋秃蛯挾龋梢杂?jì)算預(yù)測半導(dǎo)體的半金屬性質(zhì)。因此，使用“宏觀”石墨烯無法實(shí)現(xiàn)電流調(diào)制。非優(yōu)化的柵極設(shè)備的載流子遷移率已經(jīng)超過了硅基場效應(yīng)管。這些設(shè)備的載流子遷移率可以在懸浮石墨烯和頂部的柵極設(shè)備進(jìn)行測量。它的物理機(jī)械性質(zhì)，使得它適合用于設(shè)備制造。最近，基于石墨烯的研究結(jié)果令 人大受鼓舞， Peumans和他的合作者表明，石墨烯可以作為透明電極用于發(fā)光二極管，相比于常用的 ITO（ 150nm）材料，它能在很大程度上減少薄膜的厚度（ 7nm）。 為了使輻射被觀察到，其中的一個電極是透明的。 因此，石墨烯是很好的候選材料，為了證明它作為透明電極的實(shí)用性，已經(jīng)做了大量的研究工作。然而在今天，這些材料也必須符合新的特性，以改善常用材料的物理機(jī)械性能和效率。 有機(jī)光電子的應(yīng)用 在本節(jié)中，我們將了解石墨烯在分子電子學(xué)的應(yīng)用，重點(diǎn)關(guān)注光電和有機(jī)場效應(yīng)晶體管。將多層石墨烯復(fù)合電極應(yīng)用于鋰離子電池， 提高了它的性能。 圖 單分子和雙分子層石墨烯薄片的透光率 多分子層石墨烯 與單分子和雙分子層石墨烯相比，多分子層石墨烯的電子結(jié)構(gòu)中沒有帶隙。研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈的彎曲或拉伸，并不會影響濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 14 光電性能。 石墨烯的一個重要的特性是它極小的厚度。石墨烯是一種很強(qiáng)大的材料，在物理機(jī)械方面的彈性模量可達(dá) 1TPa，自身的強(qiáng)度是 130GPa，還具有很好地導(dǎo)熱性能。通過 STM（掃描隧道顯微鏡）和 TEM（透射電子顯微鏡）的方法的來分析它的結(jié)晶層。 圖 原子力顯微鏡下的石墨烯片 性質(zhì) 石墨烯的很多有趣的性質(zhì)已經(jīng)在單層樣品上測量得出；但是，為了在更多不同屬性的材料上運(yùn)用這些性質(zhì)，雙層和多 層（三至十層）石墨烯也被深入考慮使用，并且由于層數(shù)的不同，性質(zhì)也有很大的不同。它獨(dú)特的平面形狀和化學(xué)結(jié)構(gòu)，其它的材料是沒有的。每一個圖層就 是一個碳原子的厚度。合成和操作的基本原理已經(jīng)很清楚，未來的發(fā)展可能要依賴于化學(xué)家，取決于他們能否找到一種方法，要么讓選擇性合成在更高的尺度，要么找到一種凈化提純更有效的方法，或者是兩者結(jié)合的方法。 集成電路與未來的方向 在室溫下碳納米管的基礎(chǔ)研究揭示了很多重要的性能，包括它的電子遷移率超過所有已知的半導(dǎo)體和對強(qiáng)電流的承載能力。 基于場效應(yīng)管的碳納米管在很多方面優(yōu)于當(dāng)前的場效應(yīng)晶體管；碳納米管最重要的一個特性是彈道電子運(yùn)輸，使構(gòu)造場效應(yīng)管成為可能，并且能夠在很高的頻率下進(jìn)行操作，使它們可以適用于下一代電子器件。但是，堿金屬摻雜的方法并不完全可靠，制作復(fù)雜的電子器件仍然是個很大的挑戰(zhàn)。 碳納米晶體管 幾年以前，半導(dǎo)體單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管 已經(jīng)能夠在室溫下進(jìn)行操作構(gòu)建，并且在太赫茲范圍內(nèi)的操作是可以預(yù)測的。理論計(jì)算表明，碳納米管很適合在分子能級和費(fèi)米能級之間建立良好的連接。羧基酸組通常產(chǎn)生在碳納濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 12 米管被切割的點(diǎn)處。 圖 ：（ a）通過電子束光刻定義在一個窗口中的 PMMA開口的單壁碳納米管與氧等離子體，來介紹單壁碳納米管的切割；（ b）單分子電路的整體建設(shè)示范示意圖。有兩種不同的方法可以來削減單壁碳納米管的厚度，使納米間隙達(dá)到 2nm。其中的一個最大的挑戰(zhàn)就是將線或電極連接到分子。半導(dǎo)體納米管的電導(dǎo)取決于柵電極的電壓，它們的帶隙是直徑和螺旋度的一個函數(shù)，半導(dǎo)體納米管的 ON / OFF比，在室溫下通常是105，在極低的溫度下可以達(dá)到 107。金屬納米管的電導(dǎo)超過了最知名的金屬的電導(dǎo)。第一次測量碳納米管的電導(dǎo)是將一個 金屬納米管接在 Si/SiO2基片頂部的兩個鉑電極之間，觀察到個別金屬單壁碳納米管表現(xiàn)為量子態(tài)。扶手椅 狀 碳納米管體現(xiàn)金屬性，其它的 碳納米管 則體現(xiàn)半導(dǎo)體性。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 11 碳納米管的電荷傳輸性質(zhì) 單壁碳納米管導(dǎo)電性能的預(yù)測依賴于它的螺旋性和直徑。這些衍生物顯示出的不可逆的還原性質(zhì)，取決于這些功能化的碳納米管在電極表面的分解。在水和有機(jī)電解質(zhì)中研究碳納米管的電化學(xué)性能，陰極掃描是顯示有持續(xù)增加的電流產(chǎn)生，這反映了不同的碳納米管是以一種復(fù)雜混合物 的狀態(tài)存在。 碳納米管的電化學(xué)性質(zhì) 了解碳納米管的電化學(xué)性能對于設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品是非常重要的；然而，將碳納米管作為單獨(dú)的實(shí)體或個體來研究它的電化學(xué)性能已經(jīng)遇到了很多困難。碳納米管只有在金屬催化劑存在的條件下才會形成，其中大部分積累在陰極并且形成不斷 增長的沉淀。同時，通過火焰制備碳納米管也越來越受到關(guān)注。 碳納米管的制備和提純 用摻雜金屬催化劑的石墨棒通過電弧放電來制備單壁碳納米管發(fā)現(xiàn)之后，為了研究出生產(chǎn)大量碳納米材料的其它的方法，人們付出了很大的努力。如果石墨烯片沿著中心軸線卷起，就會產(chǎn)生扶手椅形碳納米管（ m=n）或者是鋸齒形碳納米管（ m=0）。 在它的命名系統(tǒng)中，將 一個正六邊形的中心選為原點(diǎn) （ 0， 0），與另一個六邊形的中心（ M， N）疊加，形成碳納米管。由于石墨烯片具有碳原子的蜂窩結(jié)構(gòu)，不同的石墨烯片能卷起不同的結(jié)構(gòu)。此外，它們的電子特 性更有吸引力。由于它們的發(fā)現(xiàn)和獨(dú)特的性質(zhì)，很多應(yīng)用已經(jīng)建議采用碳納米管。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 10 3 碳納米管 采用電弧放電技術(shù)制備富勒烯，在陰極沉積形成過程中，多壁碳納米管被發(fā)現(xiàn)。與其它的碳納米材料相比，富勒烯具有明確的結(jié)構(gòu)，并可以利用完善的化學(xué)方法進(jìn)行高純度的分離。得到的電流電壓圖解釋了在頻率為 ， C60分子通過納米機(jī)械振蕩，阻止它的金電極表面形成沉積。 圖 （ a)單分子 C60機(jī)電放大器原理圖 ； (b)機(jī) 電放大 原理圖表示的開關(guān)狀態(tài) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 9 圖 （ a）機(jī)電單分子晶體管原理圖 （ b） C60放大器平面圖 單分子 C60晶體管也能通過沉積制造 C60甲苯溶液，甚至可以稀釋一對黃金電極。輸入電壓施加到壓電傳動裝置，阻止 C60分子在銅的表面形成沉積，從而改變了約兩個數(shù)量級的電導(dǎo)特性，對應(yīng)約 nm的變形。但是，如果在較高的電位， 比率可以達(dá)到 20200。 二甲基苯胺基 氮雜 [C60]富勒烯有兩種不同的整流表現(xiàn)，將它放在兩個鍍金電極之間，用 LB超薄分子膜技術(shù)可以觀察到。最后一種是真正的分子整流，最初由 Aviram 和 Ratner提出。第一種，由于肖特基勢壘，可以在有 機(jī)金屬界面形成表面偶極子。 圖 供體和受體的橋式連結(jié)。在這樣的系統(tǒng)中，電荷分離通常發(fā)生在 LUMO軌道中，并且依賴于 LUMO軌道的能級水平。 結(jié)構(gòu)不同的分子的氧化還原過程中 ，幾個短距離的電荷分離 過程可以代替一個長距離的電荷傳輸（見圖 b） 最后一種情況，采用高度共軛的分子作為分子導(dǎo)線來連接供體和受體（見圖 c）。有三種不同的情況，第一種是供體和受體部分由一個絕緣橋連接（見圖 a）。例如，它們可以在電荷轉(zhuǎn)移過程中消除擴(kuò)散。因此，許多的富勒烯和富勒烯衍生物已經(jīng)研究用作電子受體材料（見圖 ）。另一個重要的屬性是，它們在重組后減少的能量非常少，因?yàn)槠鋭傂郧蛎娴膸缀谓Y(jié)構(gòu)和電子離域貫穿于整個分子。 在第二個實(shí)驗(yàn)方法中， C60分子沉積在一個絕緣的自組裝單層上面，這樣就產(chǎn)生了一對串聯(lián)的柵欄隧道結(jié)，并且共用一個電極。 其它理論研究已經(jīng)預(yù)測，通過內(nèi)嵌富勒烯的電荷傳輸，不同于依賴封裝原子性質(zhì)的空籠富勒烯，因?yàn)殡姾蓚鬏數(shù)闹饕揽赡苁歉焕障┨蓟\或封裝原子。第一種方濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 6 法， C60分子沉積在金屬表面，一個分子與 STM針尖接觸，這樣就產(chǎn)生了一個柵欄隧道結(jié)。實(shí)驗(yàn)上采用 STM的方法研究電荷通過單個 C60分子的傳輸。 圖 (a)C60 (上 ) 和 Sc3NIhC80（下）的循環(huán)伏安曲線； （ b)C60和 Sc3NIhC80的 HOMOLUMO原理能量圖。由于 HOMO軌道主要位于三金屬氮化物團(tuán)簇中，氧化過程 發(fā)生在低電位， HOMO–LUMO能隙 的很小的。 對于 TNTEMFs的電化學(xué)性質(zhì)， M3