[科普中國]-石墨烯納米帶

石墨烯納米帶是指大概寬度小于50 nm的石墨烯條帶。其理論模型最初于1996年提出。

電子結(jié)構(gòu)為了要賦予單層石墨烯某種電性，會(huì)按照特定樣式切割石墨烯，形成石墨烯納米帶（Graphene nanoribbon）。切開的邊緣形狀可以分為鋸齒形和扶手椅形。采用緊束縛近似模型做出的計(jì)算，預(yù)測(cè)鋸齒形具有金屬鍵性質(zhì)，又預(yù)測(cè)扶手椅形具有金屬鍵性質(zhì)或半導(dǎo)體性質(zhì)；到底是哪種性質(zhì)，要依寬度而定。可是，近來根據(jù)密度泛函理論計(jì)算得到的結(jié)果，顯示出扶手椅形具有半導(dǎo)體性質(zhì)，其能隙與納米帶帶寬成反比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果確實(shí)地展示出，隨著納米帶帶寬減小，能隙會(huì)增大。但是，直至2009年, 尚沒有任何測(cè)量能隙的實(shí)驗(yàn)試著辨識(shí)精確邊緣結(jié)構(gòu)。 通過施加外磁場(chǎng)，石墨烯奈米帶的光學(xué)響應(yīng)也可以調(diào)整至太赫茲頻域。1

性質(zhì)石墨烯納米帶的結(jié)構(gòu)具有高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、低噪聲，這些優(yōu)良品質(zhì)促使石墨烯納米帶成為集成電路互連材料的另一種選擇，有可能替代銅金屬。有些研究者試著用石墨烯納米帶來制成量子點(diǎn)，他們?cè)诩{米帶的某些特定位置改變寬度，形成量子禁閉（quantum confinement）。2

石墨烯納米帶的低維結(jié)構(gòu)具有非常重要的光電性能：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和寬帶光增益。這些優(yōu)良品質(zhì)促使石墨烯納米帶放在微腔或納米腔體中形成激光器和放大器。 根據(jù)2012年10月的一份研究表明有些研究者試著將石墨烯納米帶應(yīng)用于光通信系統(tǒng)，發(fā)展石墨烯納米激光器。

石墨烯石墨烯的碳原子排列與石墨的單原子層相同，是碳原子以sp雜化軌道呈蜂巢晶格（honeycomb crystal lattice）排列構(gòu)成的單層二維晶體。石墨烯可想像為由碳原子和其共價(jià)鍵所形成的原子網(wǎng)格。石墨烯的命名來自英文的graphite（石墨）+-ene（烯類結(jié)尾）。石墨烯被認(rèn)為是平面多環(huán)芳香烴原子晶體。

石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42?。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時(shí)，碳原子面會(huì)彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小。

石墨烯是構(gòu)成下列碳同素異形體的基本單元：石墨，木炭，碳納米管和富勒烯。完美的石墨烯是二維的，它只包括六邊形(等角六邊形);如果有五邊形和七邊形存在，則會(huì)構(gòu)成石墨烯的缺陷。12個(gè)五角形石墨烯會(huì)共同形成富勒烯。

石墨烯卷成圓桶形可以用為碳納米管；另外石墨烯還被做成彈道晶體管（ballistic transistor）并且吸引了大批科學(xué)家的興趣。在2006年3月，佐治亞理工學(xué)院研究員宣布,他們成功地制造了石墨烯平面場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并觀測(cè)到了量子干涉效應(yīng)，并基于此結(jié)果，研究出以石墨烯為基材的電路.

石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它是已知材料中最薄的一種，質(zhì)料非常牢固堅(jiān)硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。石墨烯的原子尺寸結(jié)構(gòu)非常特殊，必須用量子場(chǎng)論才能描繪。

石墨石墨（Graphite），又稱黑鉛（Black Lead），是碳的一種同素異形體（碳的其他同素異形體有很多，為人熟悉的例如鉆石）。作為最軟的礦物之一，石墨不透明且觸感油膩，顏色由鐵黑到鋼鐵灰不等，形狀可呈晶體狀、薄片狀、鱗狀、條紋狀、層狀體，或散布在變質(zhì)巖（由煤、碳質(zhì)巖石或碳質(zhì)沉積物，受到區(qū)域變質(zhì)作用或是巖漿侵入作用形成）之中?；瘜W(xué)性質(zhì)不活潑，具有耐腐蝕性。

參見石墨烯

石墨

奈米碳管

藤田光孝

若林克法

硅烯

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國礦業(yè)大學(xué)