石墨烯的特殊性能

1、石墨烯的特殊性质摘要：石墨烯是2004年发现的一种具有奇特性质的新型材料。它是由碳原子组成的二维六边形晶格结构，有一个原子层或几个原子层厚。石墨烯因其独特的电子能带结构和相对论电子特性，是人类发现的最理想的二维电子系统，具有丰富新颖的物理性质。本文详细介绍了石墨烯的结构和特殊性质，并将石墨烯原细胞扩展了551。用密度泛函理论和广义梯度近似计算了50个碳原子的本征石墨烯超晶格的电子结构。关键词：石墨烯，结构，特殊性质，超晶格，电子结构计算一.导言石墨烯是2004年发现的一种新的电子材料。石墨烯是由sp2杂化碳原子形成的蜂窝状六边形平面晶体，厚度只有一层原子。在单层石墨烯中，碳-碳键长度为0.14

2、2纳米，厚度仅为0.334纳米。石墨烯是以下碳同素异形体的基本单位：例如，石墨、碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件中有着重要而广阔的应用前景。正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种没有能隙的半导体，载流子迁移率是硅的100倍，在室温下具有微米级的自由程和大的相干长度，因此石墨烯具有良好的热导率3000 W/(MK)、高强度(110GPa)和大比表面积(2630 MZ/克)，是纳米电路的理想材料。这些优异的性能使石墨烯能够用于纳米电子器件、气体传感器、能量存储和复合材料等领域有着广阔的应用前景第二，石墨烯的特殊性质石墨

3、烯是一种半金属或零带隙二维材料。它的E-k色散关系在布里渊区六角附近的低能区是线性的，所以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超过15000 cm/(vs)(载流子浓度n10 cm)，在10 10100K范围内，迁移率几乎与温度无关，这表明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散射，因此石墨烯的迁移率可以通过改善其完整性来提高，由于长波声学声子散射，石墨烯的室温迁移率约为200000cm /(Vs)。硅的电子迁移率为1400 cm2/(v . s)，电子在石墨烯中的传输速度为这将使开发更高速的计算机芯片和生化传感器成为可能。

4、然而，当石墨烯生长在二氧化硅衬底上时，电子迁移率降低到40000厘米/(Vs)，因为衬底的光学声子比石墨烯本身更强地散射电子。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等人发现，即使杂质浓度超过10厘米，载流子迁移率也不会改变。陈等人发现，在低温和超高真空下用金属钾掺杂石墨烯，载流子迁移率可以降低到原来的1/20左右，加热石墨烯并去除掺杂的钾后，载流子迁移率可以恢复到原来的水平。石墨烯独特的电子特性产生了意想不到的高不透明度。这个单原子层对白光的吸收率是一个非常惊人的数字：2.3%，是一个精细结构常数。石墨烯的电子性质可以用传统的紧束缚模型来描述，其中电子能量和波数可

5、以用公式(1)来表示：其中：=2.8 ev是最近的跃迁能，a是晶格常数，色散关系中的符号分别成对对应于导带和价带，它们在6 k点具有相同的值。六个k点中的两个是不相关的，而另外四个点由于对称而完全相等。在k点附近，能量线性依赖于阿波罗数，就像相对论粒子一样。石墨烯被认为是一种理想的自旋电子材料，因为它的自旋轨道耦合很弱，并且碳原子的磁矩几乎为零。因此，电子的自旋注入核探测可以在室温下进行。在石墨烯中，室温下电子自旋扩散长度甚至超过1米。石墨烯是世界上已知的最坚固的材料。哥伦比亚大学詹姆森小组的研究人员在直径为1.5米的二氧化硅孔上排列了石墨烯片，在用显微镜确定了石墨烯的位置后，他们开始用硅探针

6、来压制石墨烯薄膜。然而，他们很快发现硅探针不够强，当石墨烯薄膜没有断裂时，硅探针就断裂了。后来，他们只能用半径约为10 30纳米的直径为10 30纳米的探针进行压制，以获得薄膜受损时的应力值。然而，令人震惊的是，石墨烯的强度是世界上最好的钢的100倍。最后，用原子力显微镜测量了石墨烯的力学性能，其弹性系数为10 N/m，杨氏模量为0.5TPa三.固有石墨烯超细胞模型几何结构优化和电子结构计算由基于密度的泛函理论(DFT) castep软件包完成。在计算结构弛豫和电子结构时。交换相关势能用广义梯度近似修正的泛函来处理。带结构集成路径的选择如图1所示。为了减少平面波的数量，超软赝势被用来描述原子实

7、电子和价电子之间的相互作用。对应于第一布里渊区，平面波的截断能量设置为280ev，k点设置为112。采用BFGS算法进行结构优化，优化参数设置如下：单位电子能量的收敛标准为1.010-5电子伏/原子，原子间作用力的收敛标准为0。03 eV，晶体内应力的收敛标准为0.05GPa，原子最大位移的收敛标准为1.010-13m，三维模型中的真空层为1.010-9m，石墨烯原胞结构如2(a)所示从图2可以看出，石墨烯原始细胞的带隙为零，表现出很强的金属特性。本文将石墨烯原细胞扩增了551个，得到了50个碳原子的超细胞。优化几何模型后，结果如图3所示图3当计算模型的电特性时，所使用的积分路径如图1所示，从

8、F开始，到达点X，从点X到达点K，最后从点K返回到点F，从而完成布里渊区的计算。图150个碳原子的本征石墨烯超晶格模型的能带结构如图4所示，其中黑色虚线表示系统的费米能级。在能带结构中，只考虑费米能级附近的计算，所以在计算中，选择了费米能级附近的20个能带进行分析。图4从图4可以看出，50个碳原子的超晶格的带隙为零，上述计算结果与实验测试一致，表明石墨烯具有良好的导电性。四.结束语根据本文对石墨烯结构和特殊性质的分析，石墨烯具有以下特点：石墨烯结构非常稳定，具有优异的导电性，并且干扰非常小。电子的运动速度达到光速的1/300，远远超过一般导体中电子的运动速度，而且它有相当大的不透明度。众所周知，强度最高的材料比直径更硬，其强度是世界上最好的钢的100倍。同时，为了分析石墨烯的能带结构，将石墨烯的原始胞元扩大了551，得到了50个碳原子的超胞元。通过软件得到了原始细胞和超细胞的能带结构图，表明能带间隙为零，说明了石墨烯的导电性。参考文献：1.缺陷对石墨烯电子结构的影响苗族亚宁2.石