石墨烯的光电特性及应用

岳洋

【摘 要】作为当前发现的唯一自由二维存在的自由态晶体，石墨烯有着十分独特的二维平面结构以及热学、电学、力学性能，并且成为当前研究纳米材料的重点之一。本文通过阐述石墨烯特有的光电特性，以及这些特性在实际生活中的应用研究进展，分析石墨烯在光电领域的发展趋势，以供读者参考。

【关键词】石墨烯；光电性能；合成；应用

在二十一世纪初期的时候，英国教授Geim等人运用机械作用力将石墨的晶体表层进行剥离，并分离出石墨烯的片层结构。这是一种碳原子采用sp2杂化轨道进行杂化形成的六边形蜂窝状材料，在立体结构上则呈现出单原子层的特性。石墨烯和金属、纳米材料进行组合的复合材料可以作为优质的透明导体薄膜。石墨烯和硅相组合成的薄膜有着高达百分之九十四的透明度。石墨烯有着近乎完美的原子杂化轨道，并且大范围的共轭体系使得石墨烯的电子传输能力大大增强。室温情况下的因其自身特有的结构，石墨烯有着200000cm2 /V·s的电子水平迁移率。

石墨烯独特的光电特性吸引了许多领域中的学者进行研究，在纳米材料领域这种材料更是有着很大的关注力度。有关学者也语言石墨烯在未来可能代替硅化材料，发展成为电子元件发展的重要部件，本文也综述了这种物质的光电特性及其应用。

一、石墨烯的光电性质

（一）石墨烯的光学性质

在可见光的区域内，仅有单原子厚度的石墨烯所反射的光线是低于入射光线的千分之一的，而当石墨烯累计到数十层的时候这个数据比例会上升到百分之二。同时在可见光区内，石墨烯吸收光的程度在2.3%左右。而在一般情况下，电子占据的都是低能量分布的状态，在粒子数发生倒转的时候这种情况就会相反出现。

（二）石墨烯的电学性质

石墨烯有着较为优异的导电特性。在石墨烯中的每一个碳原子都由四个价电子围绕，而其中三个价电子和周围碳原子进行结合产生sp2 共价键。余下的一个价电子将作为“贡献电子”，多个碳原子的“贡献电子”齐聚在pz 轨道中，形成π键。这种半填满的状态是比较稳定的。电子可以在这种二维的晶体中进行自由的移动。并且因原子间的作用力影响，周围碳原子的挤撞对石墨烯内部的电子传输干扰很小。石墨烯的价电子和导电子形成狄拉克锥的结构，这是当前世界上发现电阻率最小的材料。

二、石墨烯光电应用领域

（一）光电探测器

光电的探测是将光能信号转换为电流信号。传统的光电检测都是基于传统半导体材料进行的，这些检测器的性能会因为材料属性的限制而改变。和传统的半导体材料相比较，石墨烯没有能带的间隙，可以吸收的光范围也是较大的。除此之外，过高的载电子迁移率让石墨烯成为科学家眼中制作光电探测器的优异材料。

最近几年，学者Ecthermeyer等人利用金属的等离子体和石墨烯进行结合，这种方法所得出的结构是和石墨烯光电探测的光电流一致的，而且这比较于没有等离子纳米结构的元件来说要高出一个数量级。而且因为等电子体产生一定的共振，纳米结构的稳定性被大大提高，单层原子厚度的石墨烯可以全面的受到这种等离子体的增强。

（二）透明导体

所谓透明导体，是指由触摸屏、二极管以及太阳能电池组成的，对于表面电阻和透明度要求较高的器件的核心组件。作为电极的设备需要满足光的传入传出条件。而传统透明导体由高度掺杂的氧化物组成。但传统透明导体的应用会受到多因素的限制。例如机械的一定脆性对于他们作为弹性显示器来说很不利；一些稀缺元素的短缺也使得铟类显示器价格一直很高等。为了进一步满足对透明导体的发展需求，新技术的研发逐渐变得更为关键。在当前纳米材料领域中，碳基薄膜被许多学者认为富有多方面的优良性能。并且石墨烯和金属、纳米材料进行组合的复合材料可以作为优质的透明导体薄膜。石墨烯和硅相组合成的薄膜有着高达百分之九十四的透明度，薄层的导电率也为0.45S/cm。

（三）显示器和光线发射器

所谓液晶显示器是通过运用载玻片分离的石墨烯作为透明导体的。这类石墨烯的阻值较低，电子的传输率也高達百分之九十八。在相同的阻值条件下的其他材料薄膜传输率为百分之九十五左右。发光的二极管和其他的光电设备是一样的，都采用了石墨烯作为透明灵活的电极。有机的发光二极管作为显示器中最新的商业技术包含带电致使发光聚合物活跃的性质。作为显示器中最新的商业技术，有机的发光二极管可以用作超薄的显示屏。同时许多发光的装置都利用了碳基的透明薄膜。而石墨烯作为阴极或者阳极在经过等电子体处理之后可以进行发光。

（四）触摸屏

当前众多手机和数码相机的屏幕都是触摸屏，并且要求屏幕有快速和直观的反应。触摸屏主要由电阻和电容式两种形式组成。前者主要包括导电衬底以及液晶装置面板、透明导体薄膜。在实际操作的时候需要将面板的薄膜于底部进行接触，通过测算阻力数值进行接触点位置的确定；后者则是当前新兴的高端技术产物，电容式触摸屏利用触摸屏幕表面的静电场畸变，衡量出电容的变化量，从而提高电容式触摸屏的使用性能，降低开发的成本。

（五）光学调制器

光学调制器是通过运用光线固有的速度以及互联的能力，运用在芯片上光学的互联，而且在针对电气连接的时候也有一定数量的损耗。光学的调制器以及集成芯片需要较大的光学带宽。硅基的光学调制器有着较弱的场效应，所产生毫米大小的脚位也在一定程度上增加了插入的损耗，妨碍高速移动的性能。

和当前我国较为通用的半导体材料相比较来说，石墨烯有着高载波的移动特性以及脚位大的光学带宽，同时有着兼容能力较大的解调制功能。这些都是在制造高性能的光学调制器所必须的。在最近的研究中，石墨烯的光学调制需要达到1GHz，其光学的带宽要在1.35μm-1.6μm内，和当前市场上的调制器相比性能更高。

三、展望

石墨烯有着十分独特的物理结构以及光电特性，从其发现至今都有着十分重要的研究意义。而目前制备石墨烯的尺寸是不规范的，这也导致其难以批量的进行生产。所以介绍不同途径设计以及制造的石墨烯才是研究的关键所在。石墨烯有着近乎完美的原子杂化轨道，并且大范围的共轭体系使得石墨烯的电子传输能力大大增强。这是一种碳原子采用sp2杂化轨道进行杂化形成的六边形蜂窝状材料，在立体结构上则呈现出单原子层的特性。在可见光的区域内，仅有单原子厚度的石墨烯所反射的光线是低于入射光线的千分之一的，而当石墨烯累计到数十层的时候这个数据比例会上升到百分之二；而在石墨烯内部碳原子的挤撞对石墨烯内部的电子传输干扰很小。石墨烯的价电子和导电子形成狄拉克锥的结构，这是当前世界上发现电阻率最小的材料。所以对于石墨烯的研究可以更好的促进复合材料的研究，对于其光电性质研究有着更深远的意义，未来石墨烯的光电特性将会应用到更为广泛的行业。

【参考文献】

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