发布时间 : 星期日 文章石墨烯的综述，自己做的 - 图文更新完毕开始阅读23f6e7dca58da0116c1749da
在石墨烯和金属性碳纳米管中，电声子耦合可以改变声子的频率，导致科恩反常、软声子模式及派尔斯畸变。通过电声子相互作用，使石墨烯能带发生重整。电子与声子的相互作用更是超导存在的机制。 3.2.1.3电子-等离子[10]
Rotenberg等人通过角分辨光电子能谱发现电子与等离子相互作用同样可以使石墨烯能带发生重整化，改变能带结构，从而证明了在考虑完整的准粒子动力学时，电子-电子、电子-声子、电子-等离子均具有重要性。 3.2.2相对论现象观测[11]
传统材料中载流子(电子、空穴等)在传输过程中受到外场的影响，其运动速度发生改变，而在理想的石墨烯中，载流子(狄拉克-费米子)以恒定的速度运动(vp=106m/s，光速的1/300)，正是由于这种特性使得我们可以在石墨烯中观测到相对论效应。与高能物理中研究相对论的方法相比较，理论预言若使用石墨烯作为研究不但可以抛弃巨大的离子加速器，更重要的是可以在低速下观察相对论效应。与高速下的相对论效应相比，石墨烯中的相对论效应将会出现许多新奇的现象。
3.3石墨烯的运输特性
2004年，K S Novoselov, A.K Geim等人通过使用简单的胶带解离体石墨[10]，轻松地获得了单层自由状态的石墨烯。Novoselov等利用胶带将石墨逐渐撕薄，在得到的小片石墨薄层的边缘出现单层、双层、三层等石墨烯薄片，采用传统光刻工艺，可以将石墨烯分离，得到自由状态的石墨烯。目前，在大部分有关石墨烯的研究中，使用的样品是采用此类方法制备的。 3.3.1石墨烯中的反常量子霍尔效应[12]
量子霍尔效应由于具有宏观表现，一直受到科学界的关注。量子霍尔现象的研究不仅加深了我们对相互作用体系的理解，更为电阻值的量化提供了标准。但长期以来霍尔效应只能在低温下使用，研究一直朝着提高其使用温度的方向而努力。石墨烯的出现使室温下观察和利用量子霍尔效应成为现实。
微力学解离获得的单层石墨都是出现在小石墨薄片的边缘，利用光刻技术将
其分离后，通过金属沉积与氧离子刻蚀(制作电极)，做成如图2(a)， (b)所示的霍尔条状器件，此类器件都是以SiO2绝缘层作为基底，可以通过外加底电极(在Si与石墨烯之间外加电场)对石墨烯中载流子浓度进行调节。在磁场下测量其运输性质，发现反常量子霍尔效应(QHE)和Shubnikov-de Hass震荡(SdHOs) [13]。
图2 (a)量子霍尔条状器件示意图；(b) 实际量子霍尔条状器件照片；(c)正常整数量子霍尔效应；(d)石墨烯中的反常量子霍尔效应；(e) 双层石墨烯量子霍尔效应
[14]
3.3.1.1单层石墨烯的量子霍尔效应
由于石墨烯的特殊结构，其量子霍尔效应不同于传统的 2D电子气体，对于正常整数量子霍尔效应(图2c )，在电子与空穴转变点处出现平台(零偏压处为绝缘体性质)，而在石墨烯中，霍尔平台出现在半整数处，并且在电子与空穴发生转变处霍尔电导连续变化，没有出现平台(零偏压下仍为金属性) [15] (图2d)
通过量子电动力学计算，给出磁场中单层石墨烯郎道能级为
其中 vF =106ms -1为费米子速度，N为朗道能级数。
在高磁场下，能级之间的能隙远大于热激活能，这就是室温下能在石墨烯中观察到量子霍尔效应的主要原因。当然，在高磁场下，高载流子浓度只占据单个子能带，且载流子具有与掺杂浓度无关的高迁移率，对室温下存在霍尔效应也起了一定作用。在忽略塞曼劈裂和自旋轨道相互作用时，在无相互作用的单粒子图
景下， 计算得到的σ
xy = gs(N+1/2)e
2
h解释了石墨烯中的反常霍尔效应。
石墨烯中量子霍尔效应的另一种解释是基于Berry相方法[16]：由于石墨烯特殊的能带结构，使得 石墨烯中的赝自旋与轨道之间的相互作用，产生π相位的积累(即波函数旋转360°，不能与原波函数重合，而是存在 180°相位差)，在量子霍尔效应中表现为半个台阶的平移。 3.3.1.2单层石墨烯的量子霍尔效应
双层石墨烯量子霍尔电导除在 N =0处连续变化无台阶外，与正常二维体系无明显区别。理论计算给出：
在N =0和N =1时，能带发生简并，正是这个额外的简并导致N =0位置处的台阶消失(图2e) 。
虽然理论上对石墨烯中量子霍尔效应给出了令人满意的解释，但是近来研究发现，除在上述公式给出的位置出现霍尔量子平台外，在其他位置也出现了量子平台，这些新态出现(量子霍尔平台)吸引了众多目光。
在二维电子系统中，当费米能级位于朗道能级之间的能隙中(从而能级填充数ns/ (eB/h)为一整数v时)，出现量子霍尔平台σ
2
当石墨单层中电子自xy =ve/h。
旋简并和赝自旋简并都未解除时，对电子来说，N=0的电子朗道能级为2重简并，其他N≧1的朗道能级为4重简并，所以在能隙处，v=4N+2，相应霍尔平台值为σ
2
xy =(4N+2)e/h如果在强磁场下，电子自旋简并被解除，新出现的能隙中心
2
xy =(2N+2)e/h。最后，v=1
(v=2N+2) 就会出现新的量子霍尔平台σ的量子霍尔
效应被认为是由于N =0的朗道能级发生赝自旋分裂的结果[17]。 3.3.2石墨烯中的中的弱局域化问题
虽然石墨烯中的很多新奇的现象可以用这种源于蜂窝状晶格对称性的相对论性粒子运动狄拉克方程来描述，但是无序(石墨烯卷曲、形貌缺陷等)仍然扮演着重要角色。在自洽玻恩近似(self-consistent Bom approximation，SCBA)框架下，对这种蜂窝状晶格结构上的2D电子气的态密度和局域化电导，以及局域化电导修正进行了研究。理论计算表明，当石墨烯两个能谷间的散射时间足够长时，这
些缺陷(石墨烯卷曲、形貌缺陷等)可以诱导单个能谷内的哈密顿量发生时间反转对称性破缺，进而抑制局域化电导的修正，甚至使常温下观察到的磁阻现象消失
[18]
。
石墨烯另外一个引人注意的原因是有关最小量子化电导问题。当石墨烯中的
载流子(电子、空穴) 的浓度变为零时，测量发现在石墨烯中仍然存在一个金属性的量子化电导e2/h。这说明即使是在载流子浓度为零时，石墨烯仍然保持金属性，不存在强局域化效应。对于最小量子化电导存在，早期主要认为是由石墨烯特殊的结构导致的，但是近来人们的目光更加关注由于无序等原因导致的最小量子化电导的存在。
四、石墨烯的制备
石墨烯的制备大体可分为物理方法和化学方法。其中，化学方法研究得较早，主要是以苯环或其他芳香体系为核，通过偶联反应使苯环上6个碳均被取代，然后相邻取代基之间脱氢形成新的芳香环，如此进行多步反应使芳香体系变大，但该方法不能合成具有较大平面结构的石墨烯;物理方法主要以石墨为原料来合成，不仅原料便宜易得，而且可得到较大平面结构的石墨烯，因而目前关于此方面的研究比较多，国内也有相关综述[19]。
4.1微机械剥离法
2004年，Geim等首次用微机械剥离法，成功的从高定向热裂解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)上剥离并观测到单层石墨烯。Geim研究组利用这一方法成功制备了准二维石墨烯并观测到其形貌，揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因。2007年Meyer等发现单层石墨烯表面有一定高度的褶皱，单层石墨烯表面褶皱程度明显大于双层石墨烯，且随着石墨烯层数的增加褶皱程度越来越小。从热力学角度来看，这有可能是由于单层石墨烯为降低其表面能，有二维向三维形貌转换，进而可推测石墨烯表面的褶皱可能是二维石墨烯存在的必要条件，石墨烯表面的褶皱对其性能的影响有待科学家的进一步探索。
具体的制备方法：以1mm厚的高取向高温热解石墨为原料，在石墨片上用干法氧等离子体刻蚀出一个5μm深的平台(尺寸为20μm—2mm，大小不等)，在平台的表面涂上一层 2μm 厚的新鲜光刻胶，焙固后，平台面附着在光刻胶层上，从石墨片上剥离下来。用透明光刻胶可重复地从石墨平台上剥离出石墨薄片，再将留在光刻胶里的石墨薄片在丙酮中释放出来，将硅片浸泡其中，提出，再用一