石墨烯:一種新的量子材料

張 翼

(中國科學院物理研究所,北京 100190)

薛其坤

(清華大學物理系,北京 100084)

石墨烯:一種新的量子材料

張 翼

(中國科學院物理研究所,北京 100190)

薛其坤

(清華大學物理系,北京 100084)

石墨烯是一種僅由碳原子構成的二維材料.由于其獨特的二維六角蜂窩狀的晶格結構、載流子的狄拉克費米子行為及其他奇妙的物理特性,近些年來引起了人們的廣泛關注.同時,它還展現出在電子、信息、能源等多個領域的巨大應用前景.曼徹斯特大學的安德烈·海姆(A.K.Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(K.S.Novoselov)因其在石墨烯制備和研究方面的開創性工作獲得了2010年的諾貝爾物理學獎.

石墨烯;諾貝爾獎;量子霍爾效應;狄拉克費米子

1 介紹

晶體管于1947年12月發明,它開創了現代的半導體工業,是計算機信息技術的基石.隨著人們對計算速度和性能的不斷追求,傳統半導體器件尺寸的不斷縮小并已經到達了瓶頸.人們急需具有更快的電子輸運和更精確的電子操縱的新材料來實現未來高速高效電子器件的應用.2004年,曼徹斯特大學的康斯坦丁·諾沃肖洛夫(K.S.Novoselov)和安德烈·海姆(A.K.Geim)通過機械剝離的方法制得了石墨烯,發現它在大氣和室溫環境下具有穩定的結構,并且具有極大的場效應和極高的載流子遷移率(～15000cm2·V-1·s-1)[1].之后又發現其載流子表現出獨特的狄拉克費米子行為[2,3].這種奇特的狄拉克費米子之前從未在真實的材料中發現,而僅僅在理論上被理論物理學家討論過.石墨烯各種新奇的物理特性已引起了科學界的廣泛關注.首次在實驗上制備出石墨烯的兩位俄裔英國科學家也因此獲得2010年度的諾貝爾物理學獎[4].

2 石墨烯的結構

碳是地球上最豐富的元素之一,也是構成生命的最基本的元素.單質碳存在形式是多種多樣的:如碳構成的金剛石是世界上最堅硬的物質;零維的富勒烯和一維的碳納米管是近些年來出現的新納米材料.二維的石墨烯則是由石墨中得來:將石墨的厚度降低到一個原子單層,即是單層的石墨烯.石墨可以看作是許多石墨烯按照一定規則堆垛在一起,層間以范德瓦耳斯力鍵相連而形成.因此,石墨烯內部為碳原子構成的六角蜂窩狀網絡結構,實際上可看作是單原子層的石墨[5](圖1).

圖1 石墨烯及其構建的零維富勒烯、一維碳納米管和三維石墨[5]

盡管石墨烯具有簡單的結構,并與石墨極其類似,但它的許多性質卻與石墨截然不同.首先,單層石墨烯的載流子濃度不高,在室溫下具有極高的遷移率,這使得它能夠很容易地通過場效應和門電壓來調節它的化學勢和載流子濃度[1].而石墨作為一種半金屬,具有很高的載流子濃度,場效應和門電壓并不能顯著地改變其化學勢和載流子濃度.其次,一般材料中的電子方程是由薛定諤方程來描述的,而單層石墨烯中的載流子則表現為一種奇特的相對論性的狄拉克費米子行為,其運動方程由狄拉克方程來描述,其費米質量為零并且費米速度可以達到對于雙層石墨烯,其載流子為有質量的狄拉克費米子[2].從能帶上來看,傳統材料的載流子表現為拋物線性的能帶結構,而石墨烯中的載流子表現為線性的能帶結構,也就是說電子的能量 E和它動量k呈線性色散關系[6](圖2).這是第一次在凝聚態材料中發現這樣的相對論性的狄拉克費米子.石墨烯特殊的電子結構,使得它表現出許多奇妙的物理性質:如半整數的量子霍爾效應[7,8],“無”載流子的電導[5,7],Klein隧穿效應[9,10]以及其他許多未被探知的特性[11～14].

圖2 石墨烯的電子結構示意圖,右側放大圖顯示狄拉克點附近電子能量與動量呈線性色散關系[6]

3 量子霍爾效應

量子霍爾效應是二維電子氣在強磁場下表現出的一種奇特的量子效應.當二維電子氣處在強磁場下時,其連續的能帶結構就會分裂為獨立的量子能級——所謂的朗道能級.當通過門電壓調節費米面落在朗道能級之間時,費米面處的能態密度為零,霍爾測量得到的縱向電阻為零,在霍爾電導上會出現一個平臺;當費米面落在朗道能級上時,費米面上的能態密度極大,縱向電導出現極大,這時霍爾電導出現一個量子跳躍.對于傳統的由薛定諤方程描述的二維電子氣,其朗道能級 EN正比于量子數N(EN∝N).而對于無質量的狄拉克費米子,其朗道能級為對于有質量的狄拉克費米子,其朗道能級為 EN=在 E=0時對應有兩個量子數N=0和1,故 E=0處的朗道能級簡并度為2.圖3(a)給出了三種不同電子氣的朗道能級示意圖[5].

石墨烯的量子霍爾效應于2005年由曼徹斯特大學的海姆小組和哥倫比亞大學的 Kim小組分別測得[2,3].他們通過透明膠帶反復粘貼剝離石墨,并將剝離得到的石墨烯轉移到具有300nm厚SiO2絕緣層的硅片上,從而可以通過背面門電壓來調節石墨烯的費米能級.對于單層石墨烯,其載流子表現為無質量的狄拉克費米子,在狄拉克點(E=0)處仍存在一個朗道能級峰,這使得費米能級穿過狄拉克點時出現一個霍爾電導平臺的跳躍,同時縱向電導出現極大.霍爾電導的平臺處表現為半整數的量子霍爾效應.對于兩層的石墨烯,其載流子表現為有質量的狄拉克費米子,零能級處朗道能級的簡并度為2,當費米能級穿過零能級朗道能級時,霍爾電導就會出現兩個量子平臺的跳躍,霍爾電導平臺出現在處,表現為整數的量子霍爾效應[2,3,7](圖3(b)).

圖3 石墨烯的量子霍爾效應示意圖

4 “無”載流子的電導

當石墨烯的費米能級處在狄拉克點的位置時,此時的費米面處的態密度為零,對應的載流子密度為零,此時,傳統的理論認為其電導應該為零,而實際上由于石墨烯載流子獨特的狄拉克費米子特性,其電導并不為零,而是存在一個有限的值這種最小的量子電導實際上來源于狄拉克費米子的奇妙行為,并被多種理論所預言[15,16].同時這種最小的量子電導并不受石墨烯的大小、質量和遷移率等因素的影響,它是石墨烯載流子獨有的特性.從圖4可以看出,對于不同遷移率的樣品,其最小電導均處在附近[2].

圖4 不同石墨烯樣品的最小電導值[2]

5 Klein隧穿效應

Klein隧穿效應[17]是關于狄拉克費米子通過一定寬度勢壘時的散射問題.我們知道,當一個傳統的由薛定諤方程描述的電子穿過一個勢壘時,其穿透幾率 T隨著勢壘寬度的增加而減小.而對于一個狄拉克費米子來說,它竟然可以毫無阻礙地穿過該勢壘而并不受勢壘的散射.在石墨烯出現以前,沒有實驗能夠驗證這個奇妙的現象,而石墨烯獨特的電子結構和載流子特性提供了一種可能的途徑來觀測這個現象.2006年 Katsnelson、諾沃肖洛夫和海姆設計了基于石墨烯的 Klein隧穿實驗[9],他們預言:對于單層石墨烯,其穿透幾率為1,與勢壘寬度無關;而對雙層石墨烯,穿透幾率隨勢壘寬度的增加迅速下降;對于傳統的零能隙半導體,其穿透幾率隨著勢壘寬度的增加而發生振蕩.2009年哥倫比亞大學的Young和Kim從實驗上驗證了該理論[10].

6 石墨烯的制備、表征和應用

石墨烯除了可以通過簡單的膠帶剝離的辦法制得,還可以通過在過渡金屬上化學氣相沉積(CVD)[18,19]、真空環境下 SiC單晶的熱分解[20]制得.人們針對不同方法制得的石墨烯開展了大量的研究工作,如前面介紹的機械剝離制備的石墨烯的輸運研究.通過在SiC上外延石墨烯的掃描隧道顯微鏡(STM)和掃描隧道譜(STS)的研究,人們直接觀測到了石墨烯上朗道能級的存在[21].通過角分辨光電子能譜技術人們直接觀測到了石墨烯的線性能帶結構[22,23].此外,人們還發現石墨烯幾乎完全透明,在很寬的波段內光吸收只有2.3%[24].此外,石墨烯還具有高強度、超高比表面積和超高熱導率等許多奇特的物理特性[25,26].石墨烯完美的二維晶體結構、奇妙的載流子特性、超高的載流子遷移率等一系列物理特性使得它在電子、信息、能源等多個領域表現出很大的應用前景.如IBM利用石墨烯超高的載流子遷移率,研制出截止頻率高達 100GHz的石墨烯場效應管[27]、三星公司和成均館大學利用CVD方法制備出30英寸的石墨烯并將其成功地應用在觸摸屏上[28](圖5).德國的Max Plank研究所發現石墨烯因其良好的導電性、光學透過性和柔韌性可應用在太陽能電池的窗口電極上[29].

圖5 30英寸的超大石墨烯(左圖)石墨烯觸摸屏(右圖)[28]

石墨烯已經成為當前科學界最熱門的材料之一,而諾沃肖洛夫和海姆的工作的意義在于:他們通過獨特的機械剝離的辦法,獲得了足夠大的單層的石墨烯,并成功地通過輸運測量表征了其獨特的二維特性和奇妙的電子結構,從而引起了對石墨烯的研究熱潮.石墨烯的獨特電子結構使人們對石墨烯在未來的應用充滿了遐想和希望.

[1] K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,A.A.Firsov,Science,306,666(2004)

[2] K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,M.I.Katsnelson,I.V.Grigorieva,S.V.Dubonos,A.A,Firsov,N ature,438,197(2005)

[3] Y.B.Zhang,Y.W.Tan,H.L.Stormer,P.Kim,N ature,438,201(2005)

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[26] A.A.Balandin,S.Ghosh,W.Bao,I.Calizo,D.Teweldebrhan,M.Feng,C.N.Lau,N ano Lett.8,902(2008)

[27] Y.M.Lin,C.Dimitrakopoulos,K.A.Jenkins,D.B.Farmer,H.Y.Chiu,A.Grill,Ph.Avouris,Science,327,662(2010)

[28] S.Bae,H.Kim,Y.Lee,X.F.Xu,J.S.Park,Y.Zheng,J.Balakrishnan,T.Lei,H.R.Kim,Y.I.Song,Y.J.Kim,K.S.Kim,B.Ozyilmaz,J.H.Ahn,B.H.Hong,S.Iijima,N at.N anotechnol.5,574(2010)

[29] X.Wang,L.J.Zhi,K.Mullen,N ano Lett.8,323(2008)

GRAPHENE:A NEW QUANTUM MATERIAL

Zhang Yi
(Institute of Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)
Xue Qikun
(Department of Physics,Tsinghua University,Beijing 100084)

Graphene is a two-dimensional material only made of carbon atoms.Due to its unique two-dimensional honeycomb lattice structure,Dirac fermion’s behavior of carriers,and other exotic physical characteristics,graphene has attracted extensive attention recently.Graphene also promises for applications in many fields such as electronicd,information technology,energy convertion. Because of the pioneering work in preparation and characterization of graphene,A.K.Geim and K.S.Novoselov,the University of Manchester shared Nobel Prize in Physics in 2010.

Graphene;Nobel Prize;Quantum Hall effect;Dirac fertmon

2010-12-30)