石墨烯_一种新的量子材料_张翼VIP免费

1�特约稿件石墨烯:一种新的量子材料张�翼(中国科学院物理研究所,北京�100190)薛其坤(清华大学物理系,北京�100084)(收稿日期:2010�12�30)摘�要�石墨烯是一种仅由碳原子构成的二维材料.由于其独特的二维六角蜂窝状的晶格结构、载流子的狄拉克费米子行为及其他奇妙的物理特性,近些年来引起了人们的广泛关注.同时,它还展现出在电子、信息、能源等多个领域的巨大应用前景.曼彻斯特大学的安德烈�海姆(A.K.Geim)和康斯坦丁�诺沃肖洛夫(K.S.Novoselov)因其在石墨烯制备和研究方面的开创性工作获得了2010年的诺贝尔物理学奖.关键词�石墨烯;诺贝尔奖;量子霍尔效应;狄拉克费米子GRAPHENE:ANEWQUANTUMMATERIALZhangYi(InstituteofPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190)XueQikun(DepartmentofPhysics,TsinghuaUniversity,Beijing100084)Abstract�Grapheneisatwo�dimensionalmaterialonlymadeofcarbonatoms.Duetoitsuniquetwo�dimensionalhoneycomblatticestructure,Diracfermion�sbehaviorofcarriers,andotherexoticphysicalcharacteristics,graphenehasattractedextensiveattentionrecently.Graphenealsopromisesforapplicationsinmanyfieldssuchaselectronicd,informationtechnology,energyconvertion.Becauseofthepioneeringworkinpreparationandcharacterizationofgraphene,A.K.GeimandK.S.Novoselov,theUniversityofManchestersharedNobelPrizeinPhysicsin2010.KeyWords�Graphene;NobelPrize;QuantumHalleffect;Diracfertmon1�介绍晶体管于1947年12月发明,它开创了现代的半导体工业,是计算机信息技术的基石.随着人们对计算速度和性能的不断追求,传统半导体器件尺寸的不断缩小并已经到达了瓶颈.人们急需具有更快的电子输运和更精确的电子操纵的新材料来实现未来高速高效电子器件的应用.2004年,曼彻斯特大学的康斯坦丁�诺沃肖洛夫(K.S.Novoselov)和安德烈�海姆(A.K.Geim)通过机械剥离的方法制得了石墨烯,发现它在大气和室温环境下具有稳定的结构,并且具有极大的场效应和极高的载流子迁移率(~15000cm2�V-1�s-1)[1].之后又发现其载流子表现出独特的狄拉克费米子行为[2,3].这种奇特的狄拉克费米子之前从未在真实的材料中发现,而仅仅在理论上被理论物理学家讨论过.石墨烯各种新奇的物理特性已引起了科学界的广泛关注.首次在实验上制备出石墨烯的两位俄裔英国科学家也因此获得2010年度的诺贝尔物理学奖[4].物理与工程�Vol.21�No.1�20112�2�石墨烯的结构碳是地球上最丰富的元素之一,也是构成生命的最基本的元素.单质碳存在形式是多种多样的:如碳构成的金刚石是世界上最坚硬的物质;零维的富勒烯和一维的碳纳米管是近些年来出现的新纳米材料.二维的石墨烯则是由石墨中得来:将石墨的厚度降低到一个原子单层,即是单层的石墨烯.石墨可以看作是许多石墨烯按照一定规则堆垛在一起,层间以范德瓦耳斯力键相连而形成.因此,石墨烯内部为碳原子构成的六角蜂窝状网络结构,实际上可看作是单原子层的石墨[5](图1).图1�石墨烯及其构建的零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨[5]尽管石墨烯具有简单的结构,并与石墨极其类似,但它的许多性质却与石墨截然不同.首先,单层石墨烯的载流子浓度不高,在室温下具有极高的迁移率,这使得它能够很容易地通过场效应和门电压来调节它的化学势和载流子浓度[1].而石墨作为一种半金属,具有很高的载流子浓度,场效应和门电压并不能显著地改变其化学势和载流子浓度.其次,一般材料中的电子方程是由薛定谔方程来描述的,而单层石墨烯中的载流子则表现为一种奇特的相对论性的狄拉克费米子行为,其运动方程由狄拉克方程来描述,其费米质量为零并且费米速度可以达到1300c.对于双层石墨烯,其载流子为有质量的狄拉克费米子[2].从能带上来看,传统材料的载流子表现为抛物线性的能带结构,而石墨烯中的载流子表现为线性的能带结构,也就是说电子的能量E和它动量k呈线性色散关系[6](图2).这是第一次在凝聚态材料中发现这样的相对论性的狄拉克费米子.石墨烯特殊的电子结构,使得它表现出许多奇妙的物理性质:如半整数的量子霍尔效应[7,8],�无�载流子的电导[5,7],Klein...