石墨烯性质独特的新材料071118

石墨烯 ―碳家族中又一种性质独特的新材料 成会明，任文才 （中国科学院金属研究所，沈阳110016） 石墨烯（graphene）是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料[1]，厚度仅为头发的20 万分之一，是构建其他维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元（图 1）。这种严格的二维晶体材料具有极好的结晶性及电学质量，它在过去短短 3 年内已充分展现出在理论研究和实际应用方面的无穷魅力，迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿。 图 1. 石墨烯及其构建的零维富勒烯、一维纳米碳管和三维石墨[1]。 一、石墨烯的发展概述 石墨烯的理论研究已有 60 多年的历史，被广泛用来描述不同结构的碳质材料的性能。20 世纪80 年代，科学家们开始认识到石墨烯可以作为（2+1）维量子电动力学的理想理论模型。但一直以来人们普遍 认为这种严格的二维晶体结构由 于 热 力学不稳 定 性而 难 以独 立 稳 定 存 在。直到2004 年，英 国曼 彻 斯 特 大 学的Novoselov 等 [2]利 用胶 带 剥 离 高 定 向 石墨的方法 获 得 了 独 立 存 在的二维石墨烯晶体（图2），为二维体系的实验研究提供了广阔的空间，并发现石墨烯载流子的相对论粒子特性 [3,4] ，从而引发了石墨烯研究的“淘金热”。 图2. 石墨烯的原子力显微像(a)、高分辨透射电子显微像(b)及结构示意图(c) [1]。 二、石墨烯的理论研究价值 石墨烯中存在着丰富而新奇的物理现象，具有重要理论研究价值。石墨烯是零带隙半导体，独特的载流子特性是其备受关注的重要原因之一。在凝聚态物理领域，材料的电学性能常用薛定谔（Schrödinger）方程描述。而石墨烯的电子与蜂窝状晶体结构周期势的相互作用产生了一种准粒子，即零质量的狄拉克-费米子（massless Dirac fermions ），具有类似于光子的特性，在低能区域适合于采用含有有效光速（vF ≈ 106m-1s-1）的(2+1)维狄拉克方程来精确描述。因此，石墨烯的出现为相对论量子力学现象的研究提供了一种重要手段。 3 年来在石墨烯的电学性能研究中发现了多种新奇的物理现象，包括两种新型的量子霍耳效应（图3）、零载流子浓度极限下的最小量子导电率（∼e2/h）、量子干涉效应的强烈抑制以及石墨烯p-n 结界面的电流汇聚特性等[1]。最近，Novoselov等[5]观察到石墨烯具有室温量子霍耳效应，将原来的温度范围扩大了10 倍，进一步证实了石墨烯独特的载...