【正文】 .......................................................16 石墨烯在導電玻璃中的應用 .......................................................................................16 石墨烯在光伏陽極中的應用 .......................................................................................17 第四章 石墨烯的前景展望 ...........................................................................................19 參考文獻 ................................................................................................................................20 致 謝 .....................................................................................................................................23 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 1 第一章 石墨烯的國內外研究現狀 石墨烯的概述 石墨烯 是一種由碳原子構成的單層片狀結構的 材料 。石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。 石墨烯結構非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現石墨烯中有碳原子缺失的情況。 這 種穩(wěn)定的晶格結構使碳原子具有優(yōu)秀的導電性。 由于石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。 石墨烯的性質 石墨烯是由碳原子構成的二維新材料，碳原子采用 sp2雜化形成了具有蜂巢狀的二維晶格結構，這種結構非常穩(wěn)定，碳 碳鍵鍵長只有 埃，單層石墨烯只有 是一種近乎完美的二維晶體結構，石墨烯被認為是 平面 多環(huán)芳香烴原子晶體。石墨烯具有不同邊界，可分為扶手椅型（ Armchair）和鋸齒型（ Zigzag）納米帶，不同的邊界對石墨烯的性能有不同的影響。二者都具有半導體性質，但他們的帶隙產生的原因不同。其在電子器件中的應用也有很大差異。碳材料形成了一個完整的體系，零維材料 富勒烯、一維材料碳納米管、二維材料石墨烯、三維材料石墨和金剛石，如圖 2 所示。少量的五元環(huán)會使石墨烯翹起，當具有 12 個五元環(huán)結構時，就有可能形成零維富勒烯材料。而 碳納米管可以看作是石墨烯卷成無縫筒狀結構，單壁碳納米管可以視為由 單層石墨烯卷曲而成，多 壁視為多層石墨卷曲而成。 圖 2 石墨烯同其他同位素異形體之間的轉換關系 [2] 石墨烯是典型的零帶隙的半導體，通過 sp2雜化形成平面六元環(huán)結構，π電子在同一平面上形成離域大 π 鍵。K，比金剛石和碳納米管更高，室溫下電子遷移率達到光速的 1/300，電阻率只有 106Ω 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 3 表 1 石墨烯與其他材料性質比較 材料 熱導率(W/cmK) 電子遷移率(cm2/Vs) 飽和電子漂移速度( 107cm/s) Si 1200 InP 4600 SiC 600 GaN 1500 Graphene 50 202100 10 石墨烯國內外研究現狀 2021 年英國曼徹斯特大學的 安德烈 海姆 課題組首次找到一種把石墨層粘貼在透明膠上，然后反復數次把石墨與膠帶分開，最后得到石墨烯（石墨單層）的方法，并制作出了 世界最小晶體管 ，由此 獲得了 2021 年諾貝爾物理 學 獎。 自 2021年 員 [3]首次制備出石墨烯以來，石墨烯受到全世界科學家的廣泛關注，下圖表示出了近幾年石墨烯的文章 SCI 收錄情況，以每年翻番的速度增長。 Liu[6]等 首次報道了用水合聯氨還原聚苯胺插層氧化石墨化合物，還原后化合物的導電性增加了 1 個數量級。 2021 年 Niyogi 等 [7]研究了用十八胺對氧化石墨表面進行改性，制得長鏈烷基改性石墨。 2021 年， Zhu 等 [9]通過調整合成碳納米管的參數，在沒有催化劑的情況下用電感耦合頻射等離子體化學氣相沉積法在多種襯底上生長出了納米石墨微片。 2021 年， Heer 等 [10]首次將 SiC 置于高真空， 1300℃下，使 SiC 薄膜中的 Si 原子蒸發(fā)出來，生成連續(xù)的二維石墨烯薄膜。 2021 年， Konstantin V. Emtsev 等人 在 Ar 氣保護氛圍下將 SiC 進行高溫退火，相對Heer 等真空退火的方法，制得的石墨烯薄膜的均勻性及質量都大大改善。美國近年來對石墨烯的經費投入非常巨大，大大推動了他們在該方面的科學 進展。研究人員用場討論分會探討有關這種材料的問題。根據《 Nature》報道，韓國研究人員近日發(fā)現了一種制備大尺寸石墨烯薄膜的方法?？上н@種材料是在金屬襯底上制備的，不適合做微波高頻器件。 2021 年初，美國普渡大學 [9]研制出 SiC 上石墨烯材料的遷移率為 18700cm2V1s1。普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱做 1/f 的噪音會越來越明顯，使器件信噪比惡化。s law)，石墨烯、碳納米管以及硅材料都會產生該現象。 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 5 IBM 通過重疊兩層石墨烯，試制成功了晶體管。 圖 4 IBM采用雙層石墨烯結構降低器件噪聲 [12] 2021 年 6 月底 ， 日本東北大學電通信所 末光真希 教授 [13]將 SiC 在真空條件下加熱至 1000 多度，除去硅而余下碳 ， 通過自組形式形成單層 石墨烯 。其他科研團隊利用傳統(tǒng)方法的晶格畸變率為20%，因而不能制成可實際應用的器件。 HRL 資深科學家 JeongSun Moon[12]表示，該器件擁有全球 最高 的場遷移率，約 6000cm2/Vs，是現階段最先進硅基 nMOSFET 的 68 倍。之后使用標準的光刻膠工藝和氧反應離子刻蝕技術制備了晶體管。 2021 年，意大利的科研人員成功地用石墨烯制造了首枚包含兩個晶體管的集成電路，它擁有簡單的計算能力，標制著碳基電子學時代的到來。 在 2021 年 2 月出版的《 Science》雜志上， IBM 的研究人員 [12]展示了一種由 SiC 單晶襯底上生長石墨烯材料制作而成的場效應晶體管（ FET），其截止頻率可達 100 GHz，這是運行速度最快的射頻石墨烯晶體管 [14]。研究人員通過使用與現行的先進硅器件制造技術相兼容的加工技術制成了晶圓規(guī)模、外延生長的石墨烯，從而達成了此高頻記錄。來自 IBM 公司的 、 林育明等 [12]人運用 SiC 高溫升華法，把 2 英寸 4HSiC Si 面襯底在 1450℃下高溫退火，制得大部分由單層石墨烯覆蓋的 2 英寸片。 科學家們認為，這項突破可能預示著，未來可用石墨烯圓片來替代硅晶片，相關研究發(fā)表在最新一期《 Science》雜志上。去年， IBM 公司 托馬斯按照美國電氣與電子工程師學會（ IEEE）出版的《 IEEE波普》雜志的解釋，這塊集成電路是一個寬頻無線電頻率混頻器，該集成電路通過找出兩個輸入頻率的和 與差來輸出新的無線電信號。 正如 IBM 公司負責科研的副總裁 陳自強 博士 [14]表示，石墨烯的一大優(yōu)勢在于其中的 電子可實現極高速的傳輸，這對于下一代高速、高性能晶體管的研發(fā)來說是至關重要的。 我國的相關科研單位如中科院、中國電科及部分高等院校也積極開展了石墨烯的研究，包括石墨烯的理論研究、材料制備、測試以及器件制作等。電學測量表明，所制備的石墨烯在室溫和低溫下都具有高的電導，比通常用還原氧化石墨方法獲得的石墨烯的電導高 2 個數量級。研究結果表明，石墨烯是一種性能優(yōu)異的有機場效應晶體管電極材料。這一研究進展為有機場效應晶體管和石墨烯的發(fā)展奠定了良好的基礎。 有機固體院重點實驗室研究人員在化學氣相沉積法制備石墨烯的過程中通入氨氣 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 7 作為氮源，得到了氮摻雜石墨烯樣品，并對其電學性質進行了研究，發(fā)現氮摻雜石墨烯顯示出 n 型導電特征，和理論研究的結果相吻合。 中國科學院物理研究所 /北京凝聚態(tài)物理國家實驗室的 高鴻鈞 研究組 [17]成功制備了毫米級高度有序的、連續(xù)的、單晶的石墨烯。 中科院微電子所微波器件與電路研究室 金智 研究員領導課題組采用微機械剝離的方法成功制作出 1000μm2以上不同層厚的石墨烯材料，并研制出背柵型結構石墨烯場效應晶體管。 圖 5 石墨烯的 AFM像 [17] 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 8 第二章 石墨烯的制備工藝 石墨烯 具有出色的性能，在許多方面擁有很好的應用前景，而這一過程首先要解決的問題是如何制備石墨烯，因此制備技術是石墨烯優(yōu)先發(fā)展的領域。 2021 年由英國曼徹斯特大學的 Geim[18]研究組發(fā)展的一種制備石墨烯的方法 ,它利用膠帶的粘合力 ,通過多次粘貼將 HOPG、鱗片石墨等層層剝離 ,然后將帶有石墨薄片的膠帶粘 貼到硅片等目標基體上 ,最后用丙酮等溶劑