石墨烯

石墨烯一种二维晶体碳一个单层的碳原子形成一个蜂巢(六角)晶格或几个耦合层的蜂窝结构。这个词石墨烯,使用时没有指定形式(例如,双层石墨烯,多层石墨烯),通常是指单层石墨烯。石墨烯是一种父母的所有石墨结构的碳:石墨,这是一个三维的水晶相对弱耦合组成的石墨烯层;纳米管石墨烯,这可能被表示成卷轴;和布基球,球分子由石墨烯六角环被五角取代环。

首先对石墨烯的研究

的理论研究石墨烯被物理学家菲利普·r·华莱士在1947年开始为理解的第一步电子结构石墨。这个词石墨烯被化学家Hanns-Peter Boehm介绍,Ralph Setton和埃伯哈德1986年Stumpp组合的单词石墨,指碳有序结晶的形式,和后缀ene,指多环芳烃的碳原子形成六角形,或六面,环结构。

2004年曼彻斯特大学物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫和安德烈·海姆和同事孤立的单层石墨烯使用一个非常简单的方法从石墨剥落。他们的“透明胶封口法”用胶带把顶部层从石墨样品,然后应用基材层。当磁带被一些石墨烯单层形式仍在衬底。事实上,推导石墨烯本身并不是一个困难的任务;每次有人吸引的铅笔在纸,铅笔跟踪包含一小部分单层和多层石墨烯。曼彻斯特集团的成就不仅是分离石墨烯片,还要研究其物理性质。特别是,他们证明了电子在石墨烯具有很高的流动性,这意味着石墨烯可能被用于电子应用程序。2010年海姆和诺沃肖洛夫被授予诺贝尔奖物理学奖。

在这些最初的实验中,衬底对石墨烯硅自然被一层透明的覆盖层二氧化硅。原来创建的单层石墨烯光学与二氧化硅是强大到足以使石墨烯在一个标准的光学可见显微镜。这种可见性有两个原因。首先,电子在石墨烯相互作用非常强烈光子在可见光频率,吸收的2.3%左右光的强度每一个原子层。第二,光学对比强烈增强二氧化硅层中的干涉现象;这些是相同的现象,创造等薄膜的彩虹的颜色肥皂电影或油水。

的电子石墨烯的结构

石墨烯的电子结构,因此,其电气性能都是很奇怪的人。通过应用一个门电压或使用化学掺杂吸附原子和分子,一个可以创建或电子洞(一个地区一个电子是失踪,充当一个正电荷)导电性的石墨烯类似于中创建的电导率半导体。然而,在大多数半导体有一定的能级电子和空穴不允许的地方量子州,因为电子和空穴不能占领这些水平,对于某些门电压和类型的化学掺杂、半导体作为绝缘体。石墨烯,另一方面,没有一个绝缘子状态,和在任何掺杂电导率仍有限,包括零兴奋剂。无掺杂情况下存在的最小电导率是石墨烯和常规半导体之间的显著的区别。电子和洞在石墨烯相关的电荷载体运输类似于美国ultra-relativistic量子粒子,量子粒子的移动光的速度(终极速度在自然界中,根据理论相对论)。

石墨烯的蜂窝状晶格实际上由两个质子组成,每个指定的A和B,这样原子在亚点阵包围三个原子子格B,反之亦然。这个简单的几何布置导致的外观,石墨烯的电子和空穴有不同寻常的内部自由,通常被称为pseudospin。事实上,使类比更完整,pseudospin模仿自旋,或者内部角动量的,亚原子粒子。在这个比喻中,电子和空穴在粒子和反粒子石墨烯扮演相同的角色(例如,电子和正电子)量子电动力学。然而,与此同时,电子和空穴的速度大约只有1/300的速度光。这使得石墨烯为高能物理测试床:一些量子相对论效应几乎可以与亚原子粒子使用实验粒子加速器有明确的类似物在物理石墨烯的电子和空穴,可测量和研究更容易,因为他们的低速度。一个例子是克莱恩悖论,ultra-relativistic量子粒子,相反直觉,很容易通过和广义能量壁垒非常高。因此,石墨烯之间架起了一座桥梁材料科学和基础物理的一些地区,如相对论量子力学。