石墨烯与太赫兹科学

石墨烯（Graphene）是材料科学和物理科学领域一颗冉冉升起的新星.作为一种具有优异晶体品质和电子性质的二维材料,石墨烯表现出独特的电子输运、光学耦合、电磁学和其他新奇的性质.例如,石墨烯的禁带宽度和有效质量为零,其电子和空穴的运动方式与相对论性粒子相同.另外,石墨烯拥有已知材料中最高的迁移率,且其迁移率基本与温度无关.石墨烯具有众多的新颖物理现象和应用潜能,其中在太赫兹科学上的应用前景尤其广阔.石墨烯的等离子振荡、可外部控制的导电率及可人为调谐的禁带宽度都与太赫兹科学息息相关.文章重点地介绍了石墨烯的     

石墨烯与太赫兹科学

石墨烯(Graphene)是材料科学和物理科学领域一颗冉冉升起的新星.作为一种具有优异晶体品质和电子性质的二维材料,石墨烯表现出独特的电子输运、光学耦合、电磁学和其他新奇的性质.例如,石墨烯的禁带宽度和有效质量为零,其电子和空穴的运动方式与相对论性粒子相同,另外,石墨烯拥有已知材料中最高的迁移率,且其迁移率基本与温度无关,石墨烯具有众多的新颖物理现象和应用潜能,其中在太赫兹科学上的应用前景尤其广阔.石墨烯的等离子振荡、可外部控制的导电率及可人为调谐的禁带宽度都与太赫兹科学息息相关.文章重点地介绍了石墨烯的基本性质和最新研究进展,并展望了石墨烯在太赫兹科学上的应用前景,包括石墨烯的太赫兹特性研究及石墨烯太赫兹器件.     

含孔缺陷石墨烯纳米条带的电学特性研究

本文系统地研究了不同形状(三方、四方及六方) 的孔缺陷对锯齿形石墨烯纳米条带电学特性的影响. 结果表明: 孔缺陷形状对于石墨烯纳米条带的电导及电流特性影响显著, 其可能源于不同形状的孔缺陷边界对于电子散射的不同; 另外, 当缺陷悬挂吸附氢或氮原子, 将引起孔缺陷形状改变, 因此不同孔缺陷吸附对于石墨烯纳米条带的电学特性的影响也各不相同. 本研究将为石墨烯基电子器件失效分析及石墨烯孔结构器件设计提供有价值的理论指导. 关键词： 石墨烯 孔缺陷 电学特性     

石墨烯的结构、性能及潜在应用

石墨烯是一种二维零带隙半金属材料,近年来受到学术界和工业界的广泛关注。文章将石墨烯合成方法分为固、液、气三类并分别加以讨论,介绍了石墨烯的结构和缺陷特征及其电、光、热、力学等性能。石墨烯的应用研究主要集中在电学、力学、选择性分离膜、基底和生长衬底等方面。     

离子凝胶薄膜栅介石墨烯场效应管

在石墨烯场效应晶体管栅介结构中引入具有良好电容特性或极化特性的材料可改善晶体管性能.本文采用化学气相沉积制备的石墨烯并以PVDF-[EMIM]TF2N离子凝胶薄膜(ion-gel film)作为介质层制备底栅型石墨烯场效应管(graphene-based field effect transistor, GFET),研究其电学特性以及真空环境和温度对GFET性能的影响.结果表明离子凝胶薄膜栅介石墨烯场效应晶体管表现出良好的电学特性,室温空气环境中,与SiO_2栅介GFET相比, ion-gel膜栅介GFET开关比(J_(on)/J_(off))和跨导(g_m)分别提高至6.95和3.68×10~(–2) mS,而狄拉克电压(V_(Dirac))低至1.3 V;真空环境下ion-gel膜栅介GFET狄拉克电压最低可降至0.4 V;随着温度的升高, GFET的跨导最高可提升至6.11×10~(–2) mS.     

单元素类石墨烯二维拓扑材料的研究进展

除了石墨烯外,很多主族元素也可以形成类似石墨烯的稳定单层结构,并且具有丰富的物理化学性质及广阔的应用前景.其中在物理学中最引人注目的是理论预言在这些材料中预言存在的二维拓扑物性.单元素类石墨烯二维材料已经经历了十余年的研究进程,目前已经理论发现和实验制备出了若干新型二维拓扑材料,成为当前凝聚态物理和新材料领域重要研究方向之一.在这篇评述中,我们将详细介绍这一领域的研究历程、研究思路,以及最新研究进展,并对其进一步的研究方向做出展望.     

类石墨烯氮化碳结构(C3N)热传导机理研究

类石墨烯氮化碳结构(C₃N)作为一种全新的碳基二维半导体材料,由于其优异的机械和电子性能引起了研究者们的广泛关注,不同结构C₃N的热输运和声子输运机制还待进一步研究.本文构造了4种不同结构的C₃N,采用非平衡分子动力学与晶格动力学方法对不同结构的C₃N的热传导机理进行了研究.研究结果表明:1)在4种结构中M3热导率最高,M1次之,M4热导率最低;2)不同结构的C₃N的热导率具有明显的尺寸效应和温度效应.当样本长度较短时,声子主要以弹道输运的方式进行传输;当样本长度增大,扩散输运占主导地位;随着温度的升高,Umklapp散射在热输运中占据主导地位,使得热导率与温度具有1/T的依赖性.3)与M3相比,M1和M4结构中都存在更大的声子带隙,色散曲线进一步软化,低频和高频声子同时出现了局域化的特征,对热导率产生了显著的抑制作用.本文为更好地设计热管理材料提供了思路.     

半导体性介孔石墨烯

石墨烯（Graphene）是由碳原子构成的二维晶体,一般厚度方向为单原子层或双原了层碳原子排列．它是一种稳定材料,也是一种禁带宽度几乎为零的半金属材料．它具有比硅高得多的载流子迁移率（200000cm2／Vs）,在室温下有微米级的平均自由程和很长的相干长度．因此,石墨烯是纳米电路的理想材料,也是验证量子效应的理想材料．     

石墨烯掺杂研究达到新水平

石墨烯以其独特的电子特性而闻名,例如狄拉克点,在材料能带结构中的这个点,电子行为类似于高能粒子.一个载荷电子通过狄拉克样式的石墨烯,就会像一个粒子,几乎不与它的许多同类相互作用.现在,Philipp Rosenzweig和他来自德国马克斯·普朗克固体研究所的同事们,在石墨烯中添加了过量的电荷载流子,将载流子的能量从上述...     

单元素二维原子晶体材料研究进展

非碳元素构成的二维单质原子晶体材料,具有与石墨烯相似的单层结构和物理性质,对它们的研究有望发掘一些崭新的性能及相关的应用,是当前凝聚态物理及新材料等相关领域的重要研究方向之一。文章详细介绍了近几年发展起来的单一元素所形成的二维原子晶体材料,分别对其结构、物性、应用前景等方面的研究进展进行了综述介绍。     

石墨烯应用于GaN基材料的研究进展

石墨烯具有优异的光学、电学、机械等特性,被视为新型材料的突破口;GaN基材料具有直接宽禁带、热稳定性强、高功率等性质,已经成为"继硅之后最重要的半导体材料"。将石墨烯与GaN基宽禁带半导体材料相结合,发挥两种材料体系的优势,将为光电子、微电子器件的发展带来新的契机。关于石墨烯与GaN基材料相结合的研究目前已经有所突破,本文简要概述了近年来石墨烯与GaN基材料接触机理方面和石墨烯应用于GaN基材料器件方面的进展状态。     

二维材料的磁性研究

二维材料在自旋电子学器件中具有良好的应用潜力,高磁化强度、室温铁磁性二维材料的制备与研究,成为近年来自旋电子学领域的研究热点.文章简要回顾了二维材料磁性研究的背景,主要介绍了几种具有代表性的二维材料磁性研究的现状,并对二维材料的磁性研究进行了展望.     

二维材料解理技术新进展及展望

自从2004年首次制备出石墨烯以来,机械解理技术被广泛用于制备过渡金属二硫族化合物、黑磷等各种二维材料.在多种二维材料制备技术中,机械解理技术具有制备方法简单、普适性好等优点,最重要的是解理得到的晶体质量高,是研究很多新奇物性的理想选择.本文介绍了机械解理技术的产生背景,总结了常规机械解理技术在二维材料研究过程中的瓶颈.为了解决常规机械解理技术制备效率低、样品尺寸小的问题,一些新型机械解理技术近年来不断发展起来,如氧气等离子体辅助法和金膜辅助法等.作为自上而下的二维材料制备方法,新的解理技术在未来二维材料基础研究和应用中仍然充满生机.未来解理技术将朝更大尺寸,更高质量方向发展.     

纳米材料热传导中的新奇物理效应

纳米尺度热传导是物理科学、材料科学和工程热物理等相关学科的研究热点。除基础研究上的意义外,这个方向的研究在微纳米器件温度控制、新能源、热防护等重大工程技术领域也有着重要的应用价值。文章主要介绍一维、二维纳米材料(包括纳米管、纳米线、石墨烯及其他二维材料)的热传导性质。由于篇幅所限,文章集中讨论在低维体系热传导中的新奇物理效应,如碳纳米管热导率随长度的发散行为,硅纳米线中的声子相干性,以及石墨烯热传导性质的尺寸效应。文章侧重强调低维纳米材料热传导与宏观体材料热传导特性的本质区别。     

光子晶体增强石墨烯THz吸收

研究了光子晶体表面石墨烯在应力赝磁场作用下的太赫兹(THz)吸收.由于应力赝磁场的存在使得石墨烯中电子出现朗道能级并对THz波呈现出一个较强的吸收.而光子晶体和石墨烯形成了表面微腔结构使得石墨烯对THz波的吸收比无光子晶体时增强了将近四倍.且可以通过改变应力赝磁场和间隔层厚度来调控石墨烯的THz吸收.     

二维超导材料

以石墨烯为代表的二维材料在二维半导体等领域具有重要的应用价值,因此得到了广泛的研究。二维超导体不仅丰富了二维材料的物理内容,而且具有潜在的应用价值,已成为备受关注的超导前沿领域之一。文章回顾了二维超导材料的研究历史,重点介绍了几种具有代表性的(准)二维超导材料及其存在的物理问题,并对二维超导材料的研究进行了展望。     

基于石墨烯的半导体光电器件研究进展

石墨烯自从被发现以来,由于其零带隙、低电导率、常温下的高电子迁移率及量子霍尔效应和独特的光吸收等优良特性,引发了世界各国科研人员的重视,研究人员对其物理性质及应用的研究越来越多并且进展迅速．本文以光纤通信用光电器件中的探测器、调制器为主,综述了石墨烯在光电探测器、调制器以及超快锁模激光器和用于发光二级管、触摸屏透明导电薄膜等方面的应用．     

石墨烯-硅基混合光子集成电路

近年来硅基光子学已经慢慢走向成熟,它被认为是未来取代电子集成电路,实现下一代更高性能的光子集成电路的关键技术.这得益于硅基光子器件与现代的互补金属氧化物半导体工艺相兼容,能够实现廉价的大规模集成.然而,由于受硅材料本身的光电特性所限,在硅基平台上实现高性能的有源器件仍然存在着巨大挑战.石墨烯-硅基混合光子集成电路的发展为解决这一问题提供了可行的方案.这得益于石墨烯作为一种兼具高载流子迁移率、高电光系数和宽带吸收等优点的二维光电材料,能够方便地与现有硅基器件相集成,并充分发挥自身的光电性能优势.本文结合我们课题组在该领域研究的一些最新成果,介绍了国际上在石墨烯-硅基混合光子集成电路上的一些重要研究进展,涵盖了光源、光波导、光调制器和光探测器四个重要组成部分.     

高质量大面积石墨烯的化学气相沉积制备方法研究

石墨烯因其奇特的能带结构和优异的物理性能而成为近年来大家研究的热点, 但是目前单层石墨烯的质量与尺寸制约了其实际应用的发展. 本文采用常压化学气相沉积(CVD)方法, 基于铜箔衬底, 利用甲烷作为碳源制备了高质量大面积的单层与多层石墨烯. 研究发现: 高温度、稀薄的甲烷浓度、较短的生长时间以及合适的气体流速是制备高质量、大面积石墨烯的关键. Raman光谱, 扫描电子显微镜、透射电子显微镜等表征结果表明: 制备的石墨烯主要为单层, 仅铜箔晶界处有少量多层石墨烯. 电学测试表明CVD制备的石墨烯在低温时呈现出较明显的类半导体特性; 薄膜电阻随外界磁场的增大而减小.     

双层转角石墨烯的结构和电学性质

石墨烯是第一个被发现的层状二维材料,它的电学性质对层数和层间的堆垛方式有很强的 依赖性。而层间的转角可以被看作是调控石墨烯电学性质的又一个可控的自由度。本文主要综述 双层转角石墨烯的基本结构与性质,重点讲述转角对双层石墨烯电学性质的影响。我们将从理论 与实验结合的角度出发,介绍双层转角石墨烯中Dirac 费米子的新奇物理特性,重点阐述如何通 过转角来调控石墨烯的电学性质。最后我们对双层转角石墨烯的研究现状进行总结和展望。