浅谈石墨烯在电子器件中的应用

李慧慧+林沐璇+李露+朱丽萍+温少楷+姚晓庆

摘 要：自2004年被发现以来，石墨烯备受关注。石墨烯仅有一个碳原子般大小，却有着奇特的电学、光学和力学性能，例如高的载流子迁移率、良好的透光性、机械性能，等等。这些优异的特性使得石墨烯可用于制作各种电子器件，有着很大的应用前景，有可能代替硅，作为制作下一代半导体器件的主要材料。主要从石墨烯的特性，以及在光电探测器、超级电容器、触摸屏等几个方面的应用进行综述。

关键词：石墨烯；电子器件；石墨薄片；狄拉克点

中图分类号：O613；TN6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.008

1 石墨烯的结构和特性

石墨烯指的是单层的石墨薄片，其厚度仅有一个碳原子大小（0.34 nm），约为头发丝的二十万分之一。石墨烯片层中每个碳原子以sp2杂化的方式与周围碳原子形成正六边形碳环结构，每个原胞中有两个不等价的碳原子A和B，如图1所示。A-B键为sp2杂化形成的碳碳键，键长为0.142 nm，在平面内，称之为σ键。此外，在平面外方向，PZ原子的轨道相互交叠，形成离域的大π键。π电子可以移动，使得石墨烯具有导电性。σ键的键能很大，不容易断裂，使得石墨烯具有很强的韧性。A，B原子不等价，不同的堆叠方式，使石墨烯具有了不同的电子特性。

石墨烯的能带结构中价带和导带成圆锥形，重合于狄拉克点，因而石墨烯是没有带隙的，如图2所示，不需脉冲激发，价带顶部的电子就会跃迁到导带底部。石墨烯中的电子在传输过程中显示半整数的量子霍尔效应和相对论粒子特性，利用这一特性可以人为地控制石墨烯带隙大小。石墨烯的能带结构不同于半导体的抛物线型能带结构，在狄拉克点附近，电子色散关系如下：

石墨烯的色散关系是线性的。正因如此，石墨烯中的电子也常被认为是没有质量的狄拉克费米子，用狄拉克方程来描述其电子的行为。

石墨烯中电子的独特的狄拉克费米子行为，使得石墨烯不同于其他的半导体材料，有着特异的结构和性质。

1.1 良好的透光性

石墨烯具有优异的光学性能。理论上通过菲涅尔公式推导了自由悬浮单层石墨烯的光强透过率：

在可见光范围内，石墨烯的透射率为97.7%，而反射率很小，小于0.1%，那么，可知石墨烯的吸收率A≈1-T%≈2.3%，与入射光的波长无关。实验上也得到了与理论一致的结论。

1.2 良好的机械性能和热学性能

理论计算表明，石墨烯的抗拉强度和杨氏模量高达130 GPa和1 TPa，是现有材料中强度和硬度最大的，而一般的钢材料，它们的抗拉强度一般在250～1 200 MPa之间。很显然，石墨烯的最大抗拉强度要远大于普通的钢材料。这一特性使石墨烯可作为一种特殊的增强相，应用于复合材料。此外，室温下石墨烯具有很高的热导率，可达5 000 W/mK，比金刚石和碳纳米管的热导率还要高。

1.3 较高比表面积

比表面积指的是固体物质所具有的表面积与质量的比值，包含内表面积和外表面积。石墨烯是当前最薄的材料，其厚度仅有一个碳原子大小。通过计算可知，其比表面积可达2 630 m2/g。较大的比表面积可增大石墨烯与其他物质的接触面积，例如将气体分子更多的吸附在石墨烯的表面，使得石墨烯局部的电子浓度发生改变，进而改变石墨烯的特性。利用这一性质，可将石墨烯用于制作气体传感器。

2 石墨烯的应用

在当今信息数字化的时代，光电子学器件如显示屏，触控面板，发光二极管等要求材料具有较低的面电阻Rs和较高的透射率T。当前使用的半导体材料，如掺杂的氧化铟（In2O3）、ZnO或者它们的化合物以及使用最多的铟和锡的氧化物（ITO）。ITO的电学和光学性质受杂质的影响较大，当激发能量高于4 ev时，出现较强的带间吸收过程，其光强透射率T≈80%（波长在500 nm的条件下）。在玻璃衬底上时，其面电阻低于10 Ω；以聚乙烯对苯二酸盐为衬底时，其面电阻在60～300 Ω之间。但ITO材料存在一些不足和缺陷：①铟的产量少，从而导致ITO的生产成本比较高；②对周围环境和酸性物质比较敏感，化学性质不稳定；③易碎，因而不能用于需要弯曲的电子设备中。而石墨烯的出现解决了ITO存在的问题，给电子器件的新发展带来了希望。石墨烯在较宽的波长范围内有很高的透射率T=97.7%，高于ITO。石墨烯的面电阻通过生长的控制也可以达到同ITO材料一样小。很显然，石墨烯比ITO材料具有更优异的特性，更适合用于制作电子器件。

上述内容上对石墨烯和常用半导体材料的特性的比较。我们可以发现，石墨烯具有更多优异的性质，石墨烯在电子器件的制作方面具有广阔的应用前景。下面，我们列举一些由石墨烯制作成的电子器件的实例。

2.1 光电探测器

光电探测器是通过吸收入射光子能量，将价带中的电子激发到导带，从而改变材料的电学性能，测量光功率和光子数的器件。在远程控制，电视、DVD播放器中都有用到。一般的半导体材料对入射光子能量的吸收受带隙大小的影响——当光子能量小于带隙时是不能吸收的。例如，IV族、III-V族半导体在长波范围，由于光子能量小于带隙，因而这些材料对长波不能吸收，可看成透明。而石墨烯的带隙为零，从紫外到太赫兹波段都可将价带中的电子激发到导带，具有很宽的吸收带宽，并且石墨烯具有很高的载流子迁移率。因而，可以将石墨烯用于制作响应速度快、波长探测范围宽的探测器。

2.2 超级电容器

随着社会的高速发展，我们需要一些内存比较大的存储设备来满足我们的日常生活需要，这使得科学家不断地探寻和研究一些具备较大存储能力的设备，超级电容器就是其中之一。它能够以较快的速度传递能量。至今，各种各样的材料，如碳质材料、混合金属氧化物、导体聚合物等都被用于制作超级电容器的电极，尤其是碳质材料，有很大的面电阻和比表面积。但是碳纳米管制作成的超级电容因无法有效降低电极和集电极设备间的接触电阻，使得电容器没有达到预想的存储效果。石墨烯有稳定的化学性能，高的电导率以及较大的比表面积等优点而被用于制作超级电容器。曾有报道，多层石墨烯在H2SO4溶液和电解液中被制作出了比电容分别为117 F/g，135 F/g的超级电容器。此外，Yan Wang小组利用石墨烯的氧化物制作出了比电容为205 F/g 的超级电容器，且具有很长的使用寿命，经过1 200次循环测试后，比电容仍为测试前的90%，图3即为利用石墨烯制作成的超级电容设备。

2.3 触摸屏

石墨烯除了被用于光电探测器、超级电容设备、太阳能电池外，还可被用于制作触摸屏。触摸屏在我们的日常生活中随处可见，大家手上使用的触屏手机、电脑、照相机、显示屏、电视，等等。通常使用的触屏是电阻和电容式的，图4所示，包含导电衬底、液晶面板和透明导电薄膜（作为透明电极）。透明导电薄膜的面电阻Rs在500～2 000 Ω之间，要求波长在550 nm的透射率T>90%，对材料的化学稳定性、硬度等都有很高的要求。而当前使用较多的铟锡氧化物（ITO）因成本高、易碎且不能弯曲等特点，被认为不是制作触摸屏的最完美的材料，石墨烯的出现正好弥补了ITO的不足。如前所述，石墨烯不仅有很高的透射率T、适合的面电阻，还具有很好的均匀性，而且化学性质稳定，具有硬度大等特点。图5为Bae et al.小组采用CVD方式生长的石墨烯制作的手写触摸屏。

这里介绍的只是石墨烯应用的冰山一角，除了上述提到的，还可将石墨烯用于制作传感器、发光设备、场效应管、纳电子器件、激光器，等等。可见，石墨烯是制作光电子器件的理想材料，在诸多领域有望代替硅成为新一代的电子器件的原材料，有着无限广阔的应用前景。

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〔编辑：胡雪飞〕