石墨烯的光電特性及應用

岳洋

【摘 要】作為當前發現的唯一自由二維存在的自由態晶體，石墨烯有著十分獨特的二維平面結構以及熱學、電學、力學性能，并且成為當前研究納米材料的重點之一。本文通過闡述石墨烯特有的光電特性，以及這些特性在實際生活中的應用研究進展，分析石墨烯在光電領域的發展趨勢，以供讀者參考。

【關鍵詞】石墨烯；光電性能；合成；應用

在二十一世紀初期的時候，英國教授Geim等人運用機械作用力將石墨的晶體表層進行剝離，并分離出石墨烯的片層結構。這是一種碳原子采用sp2雜化軌道進行雜化形成的六邊形蜂窩狀材料，在立體結構上則呈現出單原子層的特性。石墨烯和金屬、納米材料進行組合的復合材料可以作為優質的透明導體薄膜。石墨烯和硅相組合成的薄膜有著高達百分之九十四的透明度。石墨烯有著近乎完美的原子雜化軌道，并且大范圍的共軛體系使得石墨烯的電子傳輸能力大大增強。室溫情況下的因其自身特有的結構，石墨烯有著200000cm2 /V·s的電子水平遷移率。

石墨烯獨特的光電特性吸引了許多領域中的學者進行研究，在納米材料領域這種材料更是有著很大的關注力度。有關學者也語言石墨烯在未來可能代替硅化材料，發展成為電子元件發展的重要部件，本文也綜述了這種物質的光電特性及其應用。

一、石墨烯的光電性質

（一）石墨烯的光學性質

在可見光的區域內，僅有單原子厚度的石墨烯所反射的光線是低于入射光線的千分之一的，而當石墨烯累計到數十層的時候這個數據比例會上升到百分之二。同時在可見光區內，石墨烯吸收光的程度在2.3%左右。而在一般情況下，電子占據的都是低能量分布的狀態，在粒子數發生倒轉的時候這種情況就會相反出現。

（二）石墨烯的電學性質

石墨烯有著較為優異的導電特性。在石墨烯中的每一個碳原子都由四個價電子圍繞，而其中三個價電子和周圍碳原子進行結合產生sp2 共價鍵。余下的一個價電子將作為“貢獻電子”，多個碳原子的“貢獻電子”齊聚在pz 軌道中，形成π鍵。這種半填滿的狀態是比較穩定的。電子可以在這種二維的晶體中進行自由的移動。并且因原子間的作用力影響，周圍碳原子的擠撞對石墨烯內部的電子傳輸干擾很小。石墨烯的價電子和導電子形成狄拉克錐的結構，這是當前世界上發現電阻率最小的材料。

二、石墨烯光電應用領域

（一）光電探測器

光電的探測是將光能信號轉換為電流信號。傳統的光電檢測都是基于傳統半導體材料進行的，這些檢測器的性能會因為材料屬性的限制而改變。和傳統的半導體材料相比較，石墨烯沒有能帶的間隙，可以吸收的光范圍也是較大的。除此之外，過高的載電子遷移率讓石墨烯成為科學家眼中制作光電探測器的優異材料。

最近幾年，學者Ecthermeyer等人利用金屬的等離子體和石墨烯進行結合，這種方法所得出的結構是和石墨烯光電探測的光電流一致的，而且這比較于沒有等離子納米結構的元件來說要高出一個數量級。而且因為等電子體產生一定的共振，納米結構的穩定性被大大提高，單層原子厚度的石墨烯可以全面的受到這種等離子體的增強。

（二）透明導體

所謂透明導體，是指由觸摸屏、二極管以及太陽能電池組成的，對于表面電阻和透明度要求較高的器件的核心組件。作為電極的設備需要滿足光的傳入傳出條件。而傳統透明導體由高度摻雜的氧化物組成。但傳統透明導體的應用會受到多因素的限制。例如機械的一定脆性對于他們作為彈性顯示器來說很不利；一些稀缺元素的短缺也使得銦類顯示器價格一直很高等。為了進一步滿足對透明導體的發展需求，新技術的研發逐漸變得更為關鍵。在當前納米材料領域中，碳基薄膜被許多學者認為富有多方面的優良性能。并且石墨烯和金屬、納米材料進行組合的復合材料可以作為優質的透明導體薄膜。石墨烯和硅相組合成的薄膜有著高達百分之九十四的透明度，薄層的導電率也為0.45S/cm。

（三）顯示器和光線發射器

所謂液晶顯示器是通過運用載玻片分離的石墨烯作為透明導體的。這類石墨烯的阻值較低，電子的傳輸率也高達百分之九十八。在相同的阻值條件下的其他材料薄膜傳輸率為百分之九十五左右。發光的二極管和其他的光電設備是一樣的，都采用了石墨烯作為透明靈活的電極。有機的發光二極管作為顯示器中最新的商業技術包含帶電致使發光聚合物活躍的性質。作為顯示器中最新的商業技術，有機的發光二極管可以用作超薄的顯示屏。同時許多發光的裝置都利用了碳基的透明薄膜。而石墨烯作為陰極或者陽極在經過等電子體處理之后可以進行發光。

（四）觸摸屏

當前眾多手機和數碼相機的屏幕都是觸摸屏，并且要求屏幕有快速和直觀的反應。觸摸屏主要由電阻和電容式兩種形式組成。前者主要包括導電襯底以及液晶裝置面板、透明導體薄膜。在實際操作的時候需要將面板的薄膜于底部進行接觸，通過測算阻力數值進行接觸點位置的確定；后者則是當前新興的高端技術產物，電容式觸摸屏利用觸摸屏幕表面的靜電場畸變，衡量出電容的變化量，從而提高電容式觸摸屏的使用性能，降低開發的成本。

（五）光學調制器

光學調制器是通過運用光線固有的速度以及互聯的能力，運用在芯片上光學的互聯，而且在針對電氣連接的時候也有一定數量的損耗。光學的調制器以及集成芯片需要較大的光學帶寬。硅基的光學調制器有著較弱的場效應，所產生毫米大小的腳位也在一定程度上增加了插入的損耗，妨礙高速移動的性能。

和當前我國較為通用的半導體材料相比較來說，石墨烯有著高載波的移動特性以及腳位大的光學帶寬，同時有著兼容能力較大的解調制功能。這些都是在制造高性能的光學調制器所必須的。在最近的研究中，石墨烯的光學調制需要達到1GHz，其光學的帶寬要在1.35μm-1.6μm內，和當前市場上的調制器相比性能更高。

三、展望

石墨烯有著十分獨特的物理結構以及光電特性，從其發現至今都有著十分重要的研究意義。而目前制備石墨烯的尺寸是不規范的，這也導致其難以批量的進行生產。所以介紹不同途徑設計以及制造的石墨烯才是研究的關鍵所在。石墨烯有著近乎完美的原子雜化軌道，并且大范圍的共軛體系使得石墨烯的電子傳輸能力大大增強。這是一種碳原子采用sp2雜化軌道進行雜化形成的六邊形蜂窩狀材料，在立體結構上則呈現出單原子層的特性。在可見光的區域內，僅有單原子厚度的石墨烯所反射的光線是低于入射光線的千分之一的，而當石墨烯累計到數十層的時候這個數據比例會上升到百分之二；而在石墨烯內部碳原子的擠撞對石墨烯內部的電子傳輸干擾很小。石墨烯的價電子和導電子形成狄拉克錐的結構，這是當前世界上發現電阻率最小的材料。所以對于石墨烯的研究可以更好的促進復合材料的研究，對于其光電性質研究有著更深遠的意義，未來石墨烯的光電特性將會應用到更為廣泛的行業。

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