诸葛村妇主任
范文一：禁带宽度的测量
应用物理学 王文广 苏海瑞
0903班 U20091019U200910218 5
应物0903班
应物0903班 王文广 U200910198
禁带宽度的测量 一、实验目的
1、学习紫外分光光度计的工作原理和使用方法
2、学习用紫外分光光度计测量薄膜样品的透射光谱
3、能根据吸收光谱推算出材料的光学禁带
二、实验内容
1、用紫外分光光度计测量不同厚度的ZnO和薄膜的透射光谱 TiO2
2、用不同的拟合关系计算出ZnO和样品的光学禁带宽度，并TiO2
与理论值比较，定它们的跃迁类型
3、样品在可见光范围内的透射率为什么会出现极大极小的TiO2
变化，根据这一变化推算出薄膜的厚度
三、实验原理
1、禁带宽度的涵义
(1)、禁带宽度表示晶体中公有化电子所不能具有的能量范围
(2)、禁带支付表示价键束缚的强弱
2、允许的带间直接跃迁
在跃迁过程中波矢改变量，这种跃迁为允许带间直接跃迁。,,k0
这种跃迁满足
,,E gg
如果假定仅讨论导带底以上价带顶以下较小的能量范围内光吸
1 / 22
应物0903班 王文广 U200910198 收过程，对于导带与价带都是抛物线的并且非简并的情况有
1,412 ,,,,，,210Ecm，，，，g
吸收系数与能量的关系服从1/2次方律。
3、禁戒的带间直接跃迁
在一些情况中，的跃迁被选择定则禁止，而的跃,,,L1k,0k,0迁允许，这种跃迁为禁戒的直接跃迁。虽然在徙的跃迁几率为0，k,0
2k但是处仍存在一定的的跃迁几率，且跃迁几率正比于，此时的k,0
吸收系数为
,,E，，g41, 1.310,，cm,,，，,
由上式可知吸收系数主要由3/2次方律决定
4、导带底和价带顶位于波矢空间不同位置的带间直接跃迁和间接跃迁
这种情况是指导带底的最低能量状态和价带的最高能量状态不在空间同一位置而发生直接跃迁。 k
(1)、当时，只能伴随着声子的吸收过程，吸收系数为 ,,,EEgp
2cEE,,，，，gp, ,,，，,E,,pexp1,,,kTB,,
(2)、对于时，既可伴随着声子的发射，也可伴随着声,,，EEgp
子的吸收。其中伴随一个声子发射的吸收光谱为
2cEE,,,，，gp, ,,，，eE,,p,1exp,,kT,,B
以上两式表明间接跃迁系数与入射光子的能量有二次方关系。
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应物0903班 王文广 U200910198
5、透射率、吸光度与吸收系数之间的关系
吸光度A与透射率T的关系为
1 A,lgT
光吸收规律
IIx,,exp, ，，0
为吸收系数，为光的传播距离，根据朗伯—比尔定律，A正比于。 ,x,
四、实验装置
双光束此外—可见光光度计，ZnO和薄膜样品 TiO2
五、实验方法
1、打开分光光度计运行软件，将光谱扫描范围设为190-700nm，扫描步长为1nm，扫描方式为透射率。
2、将两片没有镀膜的干净基片分别放置于参比池和样品池，先做基线扫描，然后将样品池的基片换成镀了腊的基片，进行光谱扫描，从而得到透射光谱。
3、通过软件自带的功能将透射率转换成吸光度。
4、根据吸光度与吸收系数的正比关系以及吸收系数与光子能量
ZnO的关系，拟合出各样品的光学带隙，并与理论值比较。(的禁带宽度理论值为3.37eV，的禁带宽度为3.2eV) TiO2
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六、数据记录与处理
1、样品数据 TiO2
光学带隙理论值为 3.2eVTiO2
(1)、一层样品 TiO2
1
21,,与的关系?
,,,h,-,
1/2,0.9
0.6
0.3
0.0(3.23,0)2.83.54.2h,,eV
3.23eV按第一种跃迁方式计算，一层样品的光学带隙为，误TiO2+%0.94差为
3
22,,与的关系 ?
4 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
,,,h,-,
3/2,
1.0
0.5
0.0(3.69,0)2.83.54.2
h,,eV
按第二种跃迁方式计算，一层样品的光学带隙为3.69eV，误TiO2
差为+%15
23,,与的关系 ?
,h,-,2,
1.0
0.5
0.0(3.78,0)2.83.54.2h,,eV
3.78eV按第三种跃迁方式计算，一层样品的光学带隙为，误TiO2
，16%差为
5 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
(2)、三层样品 TiO2
1
21,,与的关系?
,,,h,-,1/21.1,
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1(3.30,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
按第一种跃迁方式计算，三层样品的光学带隙为3.30eV，误TiO2
+%3.1差为
3
22,,与的关系?
,,,1.4h,-,3/2,
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
(3.72,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
3.72eV按第二种跃迁方式计算，三层样品的光学带隙为，误TiO2
6 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
差为+%16
23,,与的关系?
,h,-,2,1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6(3.79,0)h,,eV
按第三种跃迁方式计算，三层样品的光学带隙为3.79eV，误TiO2，16%差为
(3)、五层样品 TiO2
1
21,,与的关系?
,,,h,-,0.91/2,
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6(3.18,0)h,,eV
7 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
按第一种跃迁方式计算，五层样品的光学带隙为，误3.18eVTiO2
差为 -%0.63
3
22,,与的关系?
,,,h,-,3/2,0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
(3.63,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
按第二种跃迁方式计算，五层3.63eV样品的光学带隙为，误TiO2，13%差为
23,,与的关系?
,h,-,2,0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
(3.65,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
8 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
按第三种跃迁方式计算，五层样品的光学带隙为，误3.67eVTiO2
差为 ，15%
(4)、七层样品 TiO2
1
21,,与的关系?
,,,1/2h,-,,1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
(3.42,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
按第一种跃迁方式计算，七层3.42eV样品的光学带隙为，误TiO2，6.8%差为
3
22,,与的关系?
9 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
,,,3/2h,-,,1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
(3.77,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
按第二种跃迁方式计算，七层样品的光学带隙为3.77eV，误TiO2
差为，18%
23,,与的关系?
,h,-,21.4,
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
(3.83,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
3.83eV按第三种跃迁方式计算，七层样品的光学带隙为，误TiO2
，20%差为
10 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
(4)、九层样品 TiO2
1
21,,与的关系?
,,,h,-,1/20.9,
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
(3.20,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6h,,eV
按第一种跃迁方式计算，九层样品的光学带隙为3.20eV，误TiO2
，0%差为
3
22,,与的关系?
,,,h,-,3/20.7,
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
(3.64,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
3.64eV按第二种跃迁方式计算，九层样品的光学带隙为，误TiO2
11 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
差为 ，14%
23,,与的关系?
,h,-,2,0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
(3.71,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
按第三种跃迁方式计算，九层样品的光学带隙为3.71eV，误TiO2，20%差为
ZnO2、样品数据
ZnO3.37eV光学带隙理论值为
ZnO(1)、一层样品
1
21,,与的关系?
12 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
,,,h,-,0.401/2,
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
(3.00,0)0.003.03.23.43.63.84.04.24.44.6h,,eV
按第一种跃迁方式计算，一层ZnO样品的光学带隙为3.00eV，误
差为-11%
3
22,,与的关系?
,,,h,-,1/2,0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
(3.22,0)0.003.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
ZnO3.22eV按第二种跃迁方式计算，一层样品的光学带隙为，误
-4.5%差为
13 / 22
应物0903班 王文广 U200910198 23,,与的关系?
,h,-,1/20.018,
0.016
0.014
0.012
0.010
0.008
0.006
0.004
0.002
(3.24,0)0.0003.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
按第三种跃迁方式计算，一层ZnO样品的光学带隙为3.24eV，误
,3.9%差为
ZnO(2)、三层样品
1
21,,与的关系?
,,,h,-,1/2,0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
(3.14,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
ZnO3.14eV按第一种跃迁方式计算，三层样品的光学带隙为，误
14 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
差为,6.8%
3
22,,与的关系?
,,,1/2h,-,,0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
(3.25,0)0.003.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
ZnO3.25eV按第二种跃迁方式计算，三层样品的光学带隙为，误
,3.6%差为
23,,与的关系?
,1/2,h,-,0.20
0.15
0.10
0.05
(3.28,0)0.003.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
ZnO3.28eV按第三种跃迁方式计算，三层样品的光学带隙为，误
15 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
差为,3.3%
(3)、五层样品 ZnO
1
21,,与的关系?
,,,1.01/2h,-,,
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
(3.17,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
ZnO3.17eV按第一种跃迁方式计算，五层样品的光学带隙为，误
,5.9%差为
3
22,,与的关系?
,,,1/2,h,-,0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
(3.27,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
16 / 22
应物0903班 王文广 U200910198 按第二种跃迁方式计算，五层样品的光学带隙为，误ZnO3.27eV
差为 ,2.9%
23,,与的关系?
,1/2h,-,,0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
(3.29,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
ZnO3.29eV按第三种跃迁方式计算，五层样品的光学带隙为，误
,2.4%差为
ZnO(4)、七层样品
1
21,,与的关系?
17 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
,,,h,-,1/2,1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
(3.17,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
按第一种跃迁方式计算，七层ZnO样品的光学带隙为3.17eV，误
差为,6.0%
3
22,,与的关系?
1/2,,,,h,-,1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
(3.27,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
ZnO3.27eV按第二种跃迁方式计算，七层样品的光学带隙为，误
,3.0%差为
23,,与的关系?
18 / 22
应物0903班 王文广 U200910198 1.61/2,,h,-,
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
(3.29,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
按第三种跃迁方式计算，七层ZnO样品的光学带隙为3.29eV，误
差为,2.4%
ZnO(5)、九层样品
1
21,,与的关系?
,,,1.41/2h,-,,
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
(3.17,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
ZnO3.17eV按第一种跃迁方式计算，九层样品的光学带隙为，误
,5.9%差为
19 / 22
应物0903班 王文广 U200910198
3
22,,与的关系?
1/22.5,,,,h,-,
2.0
1.5
1.0
0.5
(3.27,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
按第二种跃迁方式计算，九层ZnO样品的光学带隙为3.27eV，误
,3.0%差为
23,,与的关系?
,1/2,h,-,3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
(3.29,0)0.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6
h,,eV
ZnO3.29eV按第三种跃迁方式计算，九层样品的光学带隙为，误
,2.4%差为
20 / 22
应物0903班 王文广 U200910198 七、数据分析
TiO对于样品，由以上的数据可知跃迁方式为直接跃迁，禁带宽2
1/2,度与为次方的关系
薄膜层数 一 三 五 七 九
3.23eV3.30eV3.18eV3.42eV3.20eV禁带宽度
TiO对薄膜样品，禁带宽度会随着膜的厚度的增加变大然后又变2
小，呈现一个往复性的变化。
ZnO对于样品，由测量的数据可知跃迁方式为第三种导带底和价带顶位于波矢空间不同位置时的带间直接跃迁和间接跃迁，禁带宽度,与为2次方的关系
薄膜层数 一 三 五 七 九
3.24eV3.28eV3.29eV3.29eV3.29eV禁带宽度
ZnO 对薄膜样品，从一层到五层禁带宽度随着膜的厚度增加一直
变大，到第五层后禁带宽度变化很小。
21 / 22
范文二：禁带宽度的测量
实验十四 禁带宽度的测量
一、实验目的
1、学习紫外分光光度计的工作原理和使用方法 2、学习用紫外分光光度计测量薄膜样品的透射光谱 3、能根据吸收光谱推算出材料的光学禁带
二、实验内容
1、用紫外分光光度计测量不同厚度的ZnO 和TiO 2薄膜的透射光谱 2、用不同的拟合关系计算出ZnO 和TiO 2样品的光学禁带宽度，并与理论值比较，定它们的跃迁类型
3、TiO 2样品在可见光范围内的透射率为什么会出现极大极小的变化，根据这一变化推算出薄膜的厚度
三、实验原理
1、禁带宽度的涵义
(1)、禁带宽度表示晶体中公有化电子所不能具有的能量范围 (2)、禁带支付表示价键束缚的强弱 2、允许的带间直接跃迁
在跃迁过程中波矢改变量?k =0，这种跃迁为允许带间直接跃迁。
这种跃迁满足
ωg =E g
如果假定仅讨论导带底以上价带顶以下较小的能量范围内光吸
收过程，对于导带与价带都是抛物线的并且非简并的情况有
α( ω)≈2?10( ω-E g )cm -1
4
12
吸收系数与能量的关系服从1/2次方律。
3、禁戒的带间直接跃迁
在一些情况中，k =0的跃迁被选择定则?L =±1禁止，而k ≠0的跃 迁允许，这种跃迁为禁戒的直接跃迁。虽然在k =0徙的跃迁几率为0，
但是k ≠0处仍存在一定的的跃迁几率，且跃迁几率正比于k 2，此时的
吸收系数为
α( ω)=1.3?10
4
( ω-E )cm
g
-1
ω
由上式可知吸收系数主要由3/2次方律决定
4、导带底和价带顶位于波矢空间不同位置的带间直接跃迁和间接跃迁
这种情况是指导带底的最低能量状态和价带的最高能量状态不
在k 空间同一位置而发生直接跃迁。
(1)、当 ω>E g -E p 时，只能伴随着声子的吸收过程，吸收系数为
αα( ω)=
c ( ω-E g +E p )?E exp p
?k B T
??-1?
2
(2)、对于 ω>E g +E p 时，既可伴随着声子的发射，也可伴随着声子的吸收。其中伴随一个声子发射的吸收光谱为
αe ( ω)=
c ( ω-E g -E p )?E p ?1-exp ?
?k B T ?
2
以上两式表明间接跃迁系数与入射光子的能量有二次方关系。
5、透射率、吸光度与吸收系数之间的关系
吸光度A 与透射率T 的关系为
A =lg
1 T
光吸收规律
I =I 0exp (-αx )
根据朗伯—比尔定律，A 正比于α。 α为吸收系数，x 为光的传播距离，
四、实验装置
双光束此外—可见光光度计，ZnO 和TiO 2薄膜样品
五、实验方法
1、打开分光光度计运行软件，将光谱扫描范围设为190-700nm ，扫描步长为1nm ，扫描方式为透射率。
2、将两片没有镀膜的干净基片分别放置于参比池和样品池，先做基线扫描，然后将样品池的基片换成镀了腊的基片，进行光谱扫描，从而得到透射光谱。
3、通过软件自带的功能将透射率转换成吸光度。
4、根据吸光度与吸收系数的正比关系以及吸收系数与光子能量的关系，拟合出各样品的光学带隙，并与理论值比较。(ZnO 的禁带宽度理论值为3.37eV ，TiO 2的禁带宽度为3.2eV)
六、数据记录与处理
ZnO 三层
A ^2
h ν(eV)
A ^0. 5
h ν(eV)
一层
A ^0. 5
h ν(eV)
A ^2
h ν(eV)
0.9
0.6
A ^0. 5
0.3
0.0
h ν(eV)
五层
A ^2
一层
九层
ν
TiO 2
TiO 2光学带隙理论值为3.2eV
一层
α
1/2
h α/eV
误差为+0.94%
α
3/2
eV
按第二种跃迁方式计算，误差为+15%
α
2
h α/eV
按第三种跃迁方式计算，误差为+16%
三层
α
1/2
h α/eV
按第一种跃迁方式计算，误差为+3.1%
α
3/2
按第二种跃迁方式计算，误差为+16%
α
2
h α/eV
按第三种跃迁方式计算，误差为+16% 五层
α
1/2
1/2
(3.18,0)
h α/eV
按第一种跃迁方式计算，误差为-0.63%
α
3/2
按第二种跃迁方式计算，误差为+13%
α
2
按第三种跃迁方式计算，误差为+15% 七层
α
1/2
h α/eV
按第一种跃迁方式计算，误差为+6.8%
α
3/2
h α/eV
按第二种跃迁方式计算，误差为+18%
α
2
h α/eV
按第三种跃迁方式计算，误差为+20% 九层
1/2
α
h α/eV
按第一种跃迁方式计算，误差为+0%
α
3/2
h α/eV
按第二种跃迁方式计算，误差为+14%
α
2
h α/eV
按第三种跃迁方式计算，误差为+20%
范文三：半导体禁带宽度
半导体禁带宽度
能带和禁带宽度的概念
对于包括半导体在内的晶体，其中的电子既不同于真空中的自由电子，也不同于孤立原子中的电子。真空中的自由电子具有连续的能量状态，即可取任何大小的能量；而原子中的电子是处于所谓分离的能级状态。晶体中的电子是处于所谓能带状态，能带是由许多能级组成的，能带与能带之间隔离着禁带，电子就分布在能带中的能级上，禁带是不存在公有化运动状态的能量范围。半导体最高能量的、也是最重要的能带就是价带和导带。导带底与价带顶之间的能量差即称为禁带宽度（或者称为带隙、能隙）。
禁带中虽然不存在属于整个晶体所有的公有化电子的能级，但是可以出现杂质、缺陷等非公有化状态的能级——束缚能级。例如施主能级、受主能级、复合中心能级、陷阱中心能级、激子能级等。顺便也说一句，这些束缚能级不只是可以出现在禁带中，实际上也可以出现在导带或者价带中，因为这些能级本来就不属于表征晶体公有化电子状态的能带之列。
禁带宽度的物理意义
禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。
半导体价带中的大量电子都是价键上的电子（称为价电子），不能够导电，即不是载流子。只有当价电子跃迁到导带（即本征激发）而产生出自由电子和自由空穴后，才能够导电。空穴实际上也就是价电子跃迁到导带以后所留下的价键空位（一个空穴的运动就等效于一大群价电子的运动）。因此，禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量。
Si的原子序数比Ge的小，则Si的价电子束缚得较紧，所以Si的禁带宽度比Ge的要大一些。GaAs的价键还具有极性，对价电子的束缚更紧，所以GaAs的禁带宽度更大。GaN、SiC等所谓宽禁带半导体的禁带宽度更要大得多，因为其价键的极性更强。Ge、Si、GaAs、GaN和金刚石的禁带宽度在室温下分别为0.66eV、1.12 eV、1.42 eV、3.44 eV和5.47 eV。
金刚石在一般情况下是绝缘体，因为碳（C）的原子序数很小，对价电子的束缚作用非常强，价电子在一般情况下都摆脱不了价键的束缚，则禁带宽度很大，在室温下不能产生出载流子，所以不导电。不过，在数百度的高温下也同样呈现出半导体的特性，因此可用来制作工作温度高达500oC以上的晶体管。
作为载流子的电子和空穴，分别处于导带和价带之中；一般，电子多分布在导带底附近（导带底相当于电子的势能），空穴多分布在价带顶附近（价带顶相当于空穴的势能）。高于导带底的能量就是电子的动能，低于价带顶的能量就是空穴的动能。（3）半导体禁带宽度与温度和掺杂浓度等有关： 半导体禁带宽度随温度能够发生变化，这是半导体器件及其电路的一个弱点（但在某些应用中这却是一个优点）。半导体的禁带宽度具有负的温度系数。例如，Si的禁带宽度外推到0K时是1.17eV，到室温时即下降到1.12eV。 如果由许多孤立原子结合而成为晶体的时候，一条原子能级就简单地对应于一个能带，那么当温度升高时，晶体体积膨胀，原子间距增大，能带宽度变窄，则禁带宽度将增大，于是禁带宽度的温度系数为正。
但是，对于常用的Si、Ge和GaAs等半导体，在由原子结合而成为晶体的时候，价键将要产生所谓杂化（s态与p态混合——sp3杂化），结果就使得一条原子能级并不是简单地对应于一个能带。所以，当温度升高时，晶体的原子间距增大，能带宽度虽然变窄，但禁带宽度却是减小的——负的温度系数。
当掺杂浓度很高时，由于杂质能带和能带尾的出现，而有可能导致禁带宽度变窄。
禁带宽度对于半导体器件性能的影响是不言而喻的，它直接决定着器件的耐压和最高工作温度；对于BJT，当发射区因为高掺杂而出现禁带宽度变窄时，将会导致电流增益大大降低。
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料[1]。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在[1]，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖[2]。
石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料[3] ，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"[4]；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率*超过15000 cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体*高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料[1]。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。
石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。
石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。
石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。
石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管；另外石墨烯还被做成弹道晶体管（ballistic transistor）并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月，佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路.
应用
石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子场论才能描绘。
石墨烯是一种二维晶体，人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。[4]发展简史。第一：石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二：石墨烯是世界上导电性最好的材料。 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂 石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。
在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。
石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导=2e²/h,6e²/h,10e²/h.... 为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。
石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。
石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。
石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。
加州大学河滨分校（UCRiverside）的AlexlanderBalandin教授及其研究小组成员应用拉曼光谱偏移测量手段，测得悬空的单层石墨烯在室温下可拥有 4840 W/mK的高热导率。石墨烯的高热导率特性也进一步支持石墨烯作为新电子器件材料的应用前景。[6]机械特性
石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中，他们选取了一些直径在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。
研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。
电子的相互作用
利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。
科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源（ALS）”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。
化学性质
我们至今关于石墨烯化学知道的是：类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍：缺乏适用于传统化学方法的样品。这一点未得到解决，研究石墨烯化学将面临重重困难。
记忆效应
质谱测定中的记忆效应表现为一次涂样测定的结果受到残存在离子源内测定过的同种样品的影响，当前后样品的待测同位素丰度相差越大时，记忆效应带来的影响也越大。在热电离质谱测定中，记忆效应主要由石墨烯表面吸
附和样品沉积两种因素引起。有些活性强的化合物的蒸气与离子源内表面接触时会被吸附，吸附量的多少除了与化合物的性质有关外，还与离子源内表面的材料及光洁度有关。
当长期工作以后，样品蒸气在离子源内表面的沉积会越来越多，特别是在源的出口缝及离子光学透镜的狭缝处，如果在高温下工作，沉积在离子源内表面的样品会受热再次蒸发而被电离，影响测定结果的准确性。另外一种情况，虽然测定的元素与离子源已沉积的元素不一样，但它们是同质异位素，这样离子源内表面的沉积也会对测定结果带来影响。记忆效应的强弱与所采用的样品化合物的形式有关，如进行锂同位素测定时，采用不同锂化合物凃样，定量测定的记忆的锂量相差很大，其中以LiF的记忆效应最强。[7]
制备方法
石墨烯的研究热潮也吸引了国内外材料制备研究的兴趣，石墨烯材料的制备方法已报道的有：机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等。[8]
微机械剥离法
2004年，Geim等首次用微机械剥离法，成功地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。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产要求，2004年只能作为实验室小规模制备。
化学气相沉积法
化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)首次在规模化制备石墨烯的问题方面有了新的突破(参考化学气相沉积法制备高质量石墨烯)。CVD法是指反应物质在气态条件下发生化学反应,生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。
麻省理工学院的Kong等、韩国成均馆大学的Hong等和普渡大学的Chen等在利用CVD法制备石墨烯。他们使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉，通入含碳气体，如：碳氢化合物，它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面,形成石墨烯，通过轻微的化学刻蚀，使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。这种薄膜在透光率为80%时电导率即可达到1.1×106S/m，成为透明导电薄膜的潜在替代品。用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯，但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵，这可能是影响石墨烯工业化生产的重要因素。CVD法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。
氧化-还原法
氧化-还原法制备成本低廉且容易实现，成为制备石墨烯的最佳方法，而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题。氧化-还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO)，经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。
氧化-还原法被提出后，以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯的最简便的方法，得到广大石墨烯研究者的青睐。Ruoff等发现通过加入化学物质例如二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠(NaBH4)和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基团，就能得到石墨烯。氧化-还原法可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯难以分散在溶剂中的问题。
氧化-还原法的缺点是宏量制备容易带来废液污染和制备的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷，这些将导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制。
溶剂剥离法
溶剂剥离法的原理是将少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力，此时溶剂可以插入石墨层间，进行层层剥离，制备出石墨烯。此方法不会像氧化-还原法那样破坏石墨烯的结构，可以制备高质量的石墨烯。在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的产率最高(大约为8%)，电导率为6500S/m。研究发现高定向热裂解石墨、热膨胀石墨和微晶人造石墨适合用于溶剂剥离法制备石墨烯。溶剂剥离法可以制备高质量的石墨烯，整个液相剥离的过程没有在石墨烯的表面引入任何缺陷，为其在微电子学、多功能复合材料等领域的应用提供了广阔的应用前景。缺点是产率很低。
溶剂热法
溶剂热法是指在特制的密闭反应器(高压釜)中，采用有机溶剂作为反应介质，通过将反应体系加热至临界温度(或接近临界温度)，在反应体系中自身产生高压而进行材料制备的一种有效方法。
溶剂热法解决了规模化制备石墨烯的问题，同时也带来了电导率很低的负面影响。为解决由此带来的不足，研究者将溶剂热法和氧化还原法相结合制备出了高质量的石墨烯。Dai等发现溶剂热条件下还原氧化石墨烯制备的石墨烯薄膜电阻小于传统条件下制备石墨烯。溶剂热法因高温高压封闭体系下可制备高质量石墨烯的特点越来越受科学家的关注。溶剂热法和其他制备方法的结合将成为石墨烯制备的又一亮点。
其它方法
石墨烯的制备方法还有高温还原、光照还原、外延晶体生长法、微波法、电弧法、电化学法等。笔者在以上基础上提出一种机械法制备纳米石墨烯微片的新方法，并尝试宏量生产石墨烯的研究中取得较好的成果。如何综合运用各种石墨烯制备方法的优势，取长补短，解决石墨烯的难溶解性和不稳定性的问题，完善结构和电性能等是今后研究的热点和难点，也为今后石墨烯的制备与合成开辟新的道路。
应用前景
纳电子器件方面
2005年，Geim研究组[3 J与Kim研究组H 发现，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10 am /V·s)，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300 K下可达0.3 m)，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。
利用石墨烯加入电池电极材料中可以大大提高充电效率，并且提高电池容量。自我装配的多层石墨烯片不仅是锂空气电池的理想设计，也可以应用于许多其他潜在的能源存储领域如超级电容器、电磁炮等。此外，新型石墨烯材料将不依赖于铂或其他贵金属，可有效降低成本和对环境的影响。
代替硅生产超级计算机
科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。
光子传感器
石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，这个角色一直由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。2012年10月，IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。[5]
基因电子测序
由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有望实现直接的，快速的，低成本的基因电子测序技术。[9]
减少噪音
美国IBM 宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯(Graphene)”，试制成功了新型晶体管，同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f。石墨烯，试制成功了相同的晶体管，不过与预计的相反，发现能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音。噪声。
隧穿势垒材料
量子隧穿效应是一种衰减波耦合效应，其量子行为遵守薛定谔波动方程，应用于电子冷发射、量子计算、半导体物理学、超导体物理学等领域。传统势垒材料采用氧化铝、氧化镁等材料，由于其厚度不均、容易出现孔隙和电荷陷阱，通常具有较高的能耗和发热量，影响到了器件的性能和稳定性，甚至引起灾难性失败。基于石墨烯在导电、导热和结构方面的优势，美国海军研究试验室（NRL）将其作为量子隧穿势垒材料的首选。未来得石墨烯势垒将有可能在隧穿晶体管、非挥发性磁性记忆体和可编程逻辑电路中率先得以应用。[10]
其它应用
石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。
其他
2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线。2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯行业仍在量产摸索阶段,主要的制备方法有微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法和气相沉积法;其中氧化石墨还原法优于制备成本相对较低，是主要制备方法。
石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等，都需要良好的透明电导电极材料。特别是，石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良;氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。通过化学气相沉积法，可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的阳极，并得到高达
1.71%能量转换效率;与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转换效率的55.2%。作为新兴产业，前瞻网指出。石墨烯未来前途一片光明。
石墨烯特殊的结构形态，使其具备目前世界上最硬、最薄的特征，同时也具有很强的韧性、导电性和导热性。这些及其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间，未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。《"十二五"期间中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告》称石墨烯集合世界上最优质的各种材料品质于一身，故有业内人士如此评价：如果说20世纪是硅的世纪，石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元，将给世界带来实质性变化。
诺贝尔奖
石墨烯应用范围广阔。根据石墨烯强度超大，超薄的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超薄超轻型飞机材料，超轻防弹衣等。根据其优异的导电性，使它在微电子的领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来超级计算机，碳元素更高电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是优良的改性剂，在新能源领域如锂离子电池、超级电容器方面，由于其高传导性、高比表面积，可用于作为电极材料助剂
在2004年石墨烯出现在实验室中，当时，英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离石墨片，然后将薄片两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样的操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产领域已为时不远了。因此，两人于2010年获得诺贝尔物理学奖。
他们曾是师生，也是同事，他们都出生于俄罗斯，都曾在那里学习，也曾一同在荷兰学习和研究，最后他们又一起在英国制备出了石墨烯。这种神奇材料的诞生使安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。
海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯。这是目前世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚。与所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。此外，石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体，石墨烯比任何其他材料的导热效果都好。
海姆和诺沃肖洛夫认为，石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能，因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果要经得起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几十年后才颁发。而石墨烯材料的制备成功距今才6年时间，就获得了诺贝尔奖，这使诺沃肖洛夫感到意外。他说：“今天早上听说这个消息时，我非常惊喜，第一个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。”而海姆则表示，“我从没想过获诺贝尔奖，昨天晚上睡得很踏实”。
海姆认为，获得诺贝尔奖的有两种人：一种是获奖后就停止了研究，至此终老一生再无成果；一种是生怕别人认为他是偶然获奖的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成为第二种人，当然我会像平常一样走进办公室，继续努力工作，继续平常生活。
石墨烯产业发展趋势及投资论坛于2013年7月13-14日在北京举办，并成立“中国石墨烯产业技术创新战略联盟”。此次论坛将围绕石墨烯制备技术，石墨烯引导哪些新兴产业链，石墨烯最具商业价值的应用领域，以及如何理性投资石墨烯产业等四大主题进行探讨。
研究成果 最小最快的晶体管
2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。
该晶体管的截止频率为155GHz，使得其速度更快的同时，也比IBM2011年2月展出的100GHz石墨烯晶体管具备了更多的能力。
IBM研究人员林育名表示，石墨烯晶体管成本较低，可以在标准半导体生产过程中表现出优良的性能，为石墨烯芯片的商业化生产提供了方向，从而用于无线通信、网络、雷达和影像等多个领域。
该晶体管的研制是IBM承接美国国防部高级研究计划局的任务，研发高性能无线电频率晶体管，军方对此很感兴趣。它尚未可完全用于PC机，因为自然石墨烯中缺少能隙，石墨烯晶体管不具备数码切换操作需要的开闭比，从而在处理离散数码信号方面不如传统处理器。
相比之下，石墨烯的连续能隙流使得其处理模拟信号的能力更强。通过使用IBM改良的“类金刚石碳”，石墨烯晶体管的温度稳定性更强。同时，它也是目前为止IBM最小的晶体管，选通脉冲宽度从550纳秒降到了40纳秒，而2011年的产品宽度为240纳秒。
2009年12月1日在美国召开的材料科学国际会议上，日本富士通研究所宣布，他们用石墨烯制作出了几千个晶体管。富士通研究所的研究人员将原料气体吹向事先涂有用做催化剂的铁的衬底，在这种衬底上制成大面积石墨烯薄膜。
大面积的石墨烯制备一直是个难题。富士通用上述方法制成了高质量的7.5厘米直径的石墨烯膜。在此基础上，再配置电极和绝缘层，制成了石墨烯晶体管。由于石墨烯面积较大，富士通在上面制成了几千个晶体管。石墨烯晶体管比硅晶体管功耗低和运行速度快，可制作出性能优良的半导体器件。如果改进技术后有望进一步扩大石墨烯面积，这样能够制作出更多的晶体管和石墨烯集成电路，为生产高档电子产品创造了条件。
2009年11月日本东北大学与会津大学通过合作研究发现，石墨烯可产生太赫兹光的电磁波。研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜，将红外线照射到石墨烯薄膜上，只需很短时间就能放射出太赫兹光。如果今后能够继续改进技术，使光源强度进一步增大，将开发出高性能的激光器。
研究团队在硅衬底上使用有机气体制作一层碳硅化合物。然后，进行热处理，使其生长出石墨烯的薄膜。该石墨烯薄膜只需极短暂的时间照射红外线，就能从石墨烯上发送出太赫兹光。该团队正致力于开发能将光粒封闭在内部，使光源强度增加的器件，期望能够开发出在接近室温条件下可工作的太赫兹激光器。
2010年，美国莱斯大学利用该石墨烯量子点，制作单分子传感器。莱斯大学将石墨烯薄片与单层氦键合，形成石墨烷。石墨烷是绝缘体。氦使石墨烯由导体变换成为绝缘体。研究人员移除石墨烯薄片两面的氦原子岛，就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱。该导电的石墨烯阱就可作为量子阱。量子点的半导体特性要优于体硅材料器件。这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。 全球最小光学调制器
据美国媒体今晨报道，美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器，科学家表示，这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力，有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究是由加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室的张翔教授、王枫助理教授以及博士后刘明等组成的研究团队共同完成的，研究论文将于2011年6月2日在英国《自然》杂志上发表。这项研究的突破点就在于，用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料，做成一个高速、对热不敏感，宽带、廉价和小尺寸的调制器，从而解决了业界长期未能解决的问题。
华人科研团队将石墨烯铺展在一个硅波导管的顶部，建造出了这款能打开或关闭光束的光调制器（调制器是控制数据传输速度的关键），把电子信号转化成光学信号传输数字信息。铜导线长距离传输速度最高可达100兆，而每个石墨烯调制器的传输速度比铜导线快约千倍。如果把10个石墨烯调制器放在一起，传输速度可以达到百万兆，上网速度将比以前快1万倍。价廉物美是石墨烯调制器的另一优势，"目前市场上的光学调制器5250美元一个，而我们的石墨烯调制器只需要几美元"。相对于现有调制器几个平方毫米的体积，这种石墨烯调制器还具有体积小的优势，只有25平方微米，且仅有头发丝的四百分之一细，它可以放在电脑主板上的任何位置。张翔教授表示，新石墨烯调制器不仅可用于消费电子产品上，还可用于任何受限于数据传输速度的领域，包括生物信息学以及天气预报等，未来也会广泛应用于工业领域。
低成本石墨烯电池据了解，美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备，可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。该研究发表在出版的《纳米快报》上。
作为导电性、机械性能都很优异的材料，素来有“黑金子”之称的石墨烯在中国市场上的价格近十倍于黄金，超过2000元/克。
新型石墨烯电池实验阶段的成功，无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛，而电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段，石墨烯储能设备的研制成功后，若能批量生产，则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。（科技日报）
首款手机用石墨烯电容触摸屏研制成功
2012年1月8日，对外发布，全球首款手机用石墨烯电容触摸屏在常州研制成功。该成果经上海科学技术情报研究所和厦门大学查实，显示为国内首创。
江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技有限公司联合无锡丽格光电科技有限公司和深圳力合光电传感器技术有限公司共同研发的手机用石墨烯电容触摸屏项目，成功制成电容触摸屏手机样机，并完成了功能测试。这款透明到几乎用肉眼无法辨析的超级薄膜，具有现有智能手机触摸屏的基本功能，电容屏传感器整个触摸区域可以识别单指和双指触摸及进行画线动作，实现图片单指手势左右拖动及双指手势放大和旋转，而这只是石墨烯材料产品之一。
据此前相关报道称，石墨烯的相关产品在国外还处于研发和概念机阶段，尚未有大规模制造及商业化。而此次首款手机用石墨烯电容触摸屏的成功研制，表明了石墨烯产品从实验室逐步走向了市场。
光电传感器
2012年8月，诺基亚的研发部门已经在着手研究石墨烯光电传感器，并且已经在美国专利和商标局注册了一项专利。
诺基亚石墨烯光电传感器原理
在公布的专利描述中，带有石墨烯光电收集层的光电探测器/像素，由一些列手指状的电极被安置在石墨烯收集层上，用来收集光子透过时产生的电子空洞，石墨烯纳米带作为场效应晶体管对随之产生的电流进行放大，并将其转移到相连的电子控制元件上。多层探测和放大层被互相叠放，以此来吸收和过滤相应颜色的光。
石墨烯作为光电传感器材料的优势就在于其透光性。这种单层的六边形碳原子材料仅仅吸收2.3%的光，并使所有光谱的光均匀地通过（红外线、可见光和紫外线）。因此，对于诺基亚的团队来说，这在光线不足的条件下肯定比传统的CMOS传感器具备更好的性能。同时，石墨烯传感器比传统传感器薄许多，因此你的下一个4100万像素的PureView手持设备肯定不会是像诺基亚808那样的大块头。此外，石墨烯传感器比CMOS在生产工艺和流程方面更简单，造价更便宜。
石墨烯生产由于种种原因，还仅停留于实验室阶段，而用石墨烯制造的传感器，也表现出了照片响应差、噪音多等问题。因此诺基亚或许将在最近几年不断提升和研发这种石墨烯光电传感器的性能。
国内首片15英寸单层石墨烯问世
[提要]与现有手机触摸屏材料相比,石墨烯优点更多,被认为是2013之前世界上最薄、几乎完全透光、强度也最大的材料。中科院重庆研究院正在与广东地区的风投机构商谈,力争让石墨烯在一年内实现量产。
你想用上屏幕可以来回弯曲折叠的手机吗?采用石墨烯材料,就可能变成现实。采用可折叠屏幕后,即使手机屏变得更大了,但携带起来还是很方便。1月22日,记者从中科院重庆绿色智能技术研究院(简称中科院重庆研究院)了解到,该院已经成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯,这样的大尺寸,达到了国内最高水平。它或将为我们的手机、电脑等电子产品带来一场革命。
世界上最薄的纳米材料,透光性好,能折叠
据介绍,石墨烯是由碳原子组成的单原子层平面薄膜,可以作为制备新型触摸屏的核心部分――透明电极的材料。它究竟薄到哪种程度?中科院重庆研究院微纳制造与系统集成研究中心副主任史浩飞解释,石墨烯只有0.34纳米厚,粗略估计一下,一根头发丝的直径,大概等于十万层石墨烯叠加起来的厚度,所以用肉眼是看不见它的。它自身只吸收约2.3%的光,能够做到几乎完全透光,让触摸屏亮度更好,同时,还能保证很高的电导率,这对于过去那些触摸屏材料来说,是难以同时解决的。“过去认为钻石热导率最高,但是石墨烯是它的2倍。”
值得一提的是,石墨烯还具备很好的柔性,也即是说,它在一定程度上可以弯曲折叠,不会对屏幕造成损害。 “从这些优点来看,石墨烯特别适合在电子信息产业中应用。像IBM、三星这些大企业,都相当关注它的发展。”史浩飞说。
成功制备7英寸的石墨烯触摸屏
据悉,自2004年被发现以来,如何解决大面积、高质量石墨烯制备和快速高效转移两大关键问题,让石墨烯应用于透明电极中,一直困扰着很多研究者。
“如果电阻触摸屏要采用这种材料,需要先在金属表面上催化生长石墨烯,再把它转移到适合的基底上,才能进行应用。”史浩飞告诉记者,这就相当于在一个足球场上铺一层薄薄的保鲜膜,要让它平平整整且完好无损,难度特别大。
据介绍,通过“石墨烯透明电极关键技术”研究,他们采用工业原料如塑料、液态苯等作为有效碳源,在300℃的低温下生长出高质量的石墨烯。
中科院重庆研究院已经在铜箔衬底上生长出15英寸的均匀单层石墨烯,并成功将其完整地转移到柔性PET衬底上和其他基底表面,并且通过进一步应用,还制备出了7英寸的石墨烯触摸屏。
在中科院重庆研究院的实验室里,记者看到,研究人员将石墨烯触摸屏贴在一台普通笔记本电脑的显示屏上,调试完毕后,用手写笔就能轻松地在屏幕上写字。
新型石墨烯晶体管实现高开关比率
据物理学家组织网2012年1月23日（北京时间）报道，英国曼彻斯特大学的科研人员设计出一种新型石墨烯晶体管，在其中电子可借助隧穿和热离子效应，同时从上方和下方穿越障碍，并在室温下展现出高达1×106的开关比率。
石墨烯晶体管获得较高的开关比率一直难以实现，而有了高开关比，以及其在柔性、透明基板上的操作能力，新型晶体管能够在后CMOS设备时代占有一席之地，并有望达到更快的计算速度。相关研究发表在《自然·纳米技术》杂志上。
石墨烯晶体管多具有三明治结构，以原子厚度的石墨烯作为外层，而以其他超薄材料作为中间夹层。这些中间层可以囊括多种不同材料。在此次的研究中，科学家使用二硫化钨（WS2）作为中间层，其能够作为两个石墨烯夹层之间原子厚度的壁垒。与其他壁垒材料相比，二硫化钨的最大优势在于，电子可借助热离子运输方式从上方越过障碍，也可利用隧穿效应从下方穿过障碍。处于关闭状态时，极少电子能借助上述方式穿越障碍，但当调至开启状态时，电子既能选用一种方式逾越壁垒，亦能同时选择两种方式以实现类似效果。
开关间切换将改变晶体管的栅电压。负栅电压将形成关闭状态，因为其将增加隧穿障碍高度，因此几乎没有电子能够越过壁垒。而正栅电压能通过降低隧穿障碍的高度使晶体管转换至开启状态。同时，如果温度足够高，亦可借助热离子电流从上方越过壁垒。在低电压和低温的情况下，隧穿电流与电压呈线性关联。但当处于高压下时，隧穿电流会随电压呈现指数增长，此时热离子电流就会成为主要的传输机制。
利用上述特质和二硫化钨壁垒材料，新晶体管成为目前性能最佳的石墨烯晶体管之一。此外，由于仅具有几个原子层的厚度，新型晶体管能够耐受弯曲，未来更有望应用于柔性、透明电子设备的制造，成为后CMOS设备时代的有力备选。
碳海绵：碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙的三维多孔材料
2013年3月，浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶――它刷新了目前世界上最轻材料的纪录，弹性和吸油能力令人惊喜。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克，仅是空气密度的1/6。它的价值在于其简便的制备方法，以及材料所展现出来的优越性能。不需要模板，只与容器有关。容器多大，就可以制备多大，可以做到上千立方厘米，甚至更大。
“碳海绵”具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是迄今已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”的吸收量是250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有机物的速度极快：每克这样的“碳海绵”每秒可以吸收68.8克有机物。
纯石墨烯粉末制成柔性散热薄膜
2013年4月2日，贵州新碳高科有限责任公司宣布研制成功出中国首个纯石墨烯粉末产品——柔性石墨烯散热薄膜。此次发布的中国首个石墨烯粉末应用产品“柔性石墨烯散热薄膜”，由贵州新碳高科有限责任公司研发和生产，由上海新池能源科技有限公司提供稳定的、量产规模的石墨烯粉末。新碳高科建立了年产2万平米生产线，已成功生产1000平方米石墨烯柔性散热薄膜产品。该产品采用了单片厚度1-5个原子层，横向尺寸0.5-5微米，比表面积500-1000m/g的高质量石墨烯粉末，通过制备高浓度不团聚的石墨烯溶液，利用辊涂技术（Roll to Roll）形成有良好定向性的石墨烯微片层状结构，然后在高温特定气氛下还原，使石墨烯微片边缘晶粒长大，最后扩展成为
大面积连续二维结构的石墨烯柔性散热薄膜。产品热扩散率达到700-900M2/S，热导率在800-1600W/（mk）。其散热效果比常用的散热材料铜（热导率429W/（mk）要提高2-4倍，而且具有良好的可加工性能。
规模生产
全球首条石墨烯生产线慈溪开工，在慈溪市慈东滨海区，年产300吨石墨烯项目正紧锣密鼓筹建中。不久之后，这里将出现全球第一条石墨烯生产线。
受此影响，21日石墨烯概念股受到追捧，华丽家族早间涨停，一度触及涨停的工大高新也有近9%的涨幅，中钢吉炭、中国宝安、金路集团等概念股均有不同程度涨幅。
“石墨烯是目前世界上已发现的最轻、最坚硬的纳米材料，它不但可以用来开发制造纸片一样的超轻型飞机材料，还能做出超坚韧的防弹衣。”宁波墨西科技有限公司总经理林立新兴奋地说，据保守估计，这种材料仅替代市场的潜力就有数十亿甚至上百亿元。
历时三年成功研制石墨烯产业化项目
2008年10月，从美国纽约州立大学博士后毕业的刘兆平，应聘进入中科院宁波材料所，领衔攻关制备石墨烯的新技术。他还给自己刚出生的女儿取名“刘墨希”。
这个项目吸引了众多宁波民营企业的目光，他们有的已经尝到新材料产业的甜头，有的希望借石墨烯项目拓展到新材料领域，有的想通过引进石墨烯技术提升自身产品品质。
当时，刘兆平团队的石墨烯项目尚停留在实验阶段，距离产业化还有一段不短的路。正是这段看似坎坷的路，让素以“稳健”和“精明”著称的宁波民企开始怯步。
“石墨烯项目市场前景确实很好，但是能不能等你们技术成熟后，再转让给我们？”“首期付款就要几千万元，你们能不能降低价格，等项目产生效益后再支付更多的费用？”……这是在与30余位宁波民企老板的频繁接触中，中科院宁波材料所技术转移办公室副主任俞建伟听的最多的话。
2011年7月，刘兆平团队设计建成了年产30吨的石墨烯中试生产线。
“石墨烯制备成本很高，每克要5000元，是黄金价格的十几倍。现在，我们将制造成本降到了每克3元。”刘兆平说，这意味着石墨烯项目可以走向产业化，成为大量供给的工业原料。两个月后，在2011中国科技创业计划大赛上，“石墨烯产业化技术”项目获得海外人才创业特别奖一等奖。
引起国内外震动险些花落他乡
宁波材料所的石墨烯产业化技术，在国内外引起了不小的震动。石墨烯项目的市场价值，也由实验阶段的几千万元提升到上亿元。
而与这个项目有过接触的宁波民企，却在为投资门坎一下子提高那么多而发愁，犹豫再三后，还是迟迟未能出手。此时，外来竞争者已经悄悄逼近。很多外地企业或投资机构纷纷慕名前来，希望引进这个项目。
柔性集体
石墨烯具有高导电性和良好的柔韧性，是柔性储能器件的理想候选材料之一。金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室在前期制备出具有三维连通网络结构的石墨烯泡沫的基础上(Nature Materials 10 (6), 424, 2011)，利用该材料作为高导电的柔性集流体，设计并制备出可快速充放电的柔性锂离子电池。研究人员将三维连通的石墨烯网络作为集流体，取代电池中常用的金属集流体，不仅可有效降低电极中非活性物质的比例，且三维石墨烯网络的高导电性和多孔结构为锂离子和电子提供了快速扩散通道，可实现电极材料的快速充放电性能。为了在不使用粘结剂和导电添加剂的情况下实现活性物质和石墨烯集流体的良好接触以促进电子传输和提高弯折时电极材料的稳定性，研究人员发展了原位水热合成方法，在石墨烯三维连通网络结构上直接生长活性物质，如磷酸铁锂和钛酸锂。将磷酸铁锂/石墨烯和钛酸锂/石墨烯复合材料分别作为正负极，采用柔性硅胶为封装体，组装了具有很好柔性的锂离子全电池(图1a, b)。该柔性锂离子电池在弯曲时，其充放电特性保持不变（图1 c-d），并可在6分钟内完成充电(达到初始容量的90%)，在100次循环之后容量保持率在96%。
该研究为高性能柔性锂离子电池的设计和制备提出了一种新思路。这种可快速充电的柔性锂离子电池的制备工艺简单，具有潜在的实际应用价值。该研究成果于2012年10月8日在《美国科学院院刊》(PNAS)上在线发表(PNAS, 2012, )。此外，该研究团队还充分利用石墨烯和碳纳米管的优异特性，发展出超级电容器和锂-硫电池用柔性电极材料(ACS Nano 3 (7), 1745, 2009; Advanced Energy Materials 1 (5), 917, 2011; Energy & Environmental Science 5, 8901, 2012)，为柔性储能器件的开发奠定了良好基础。上述工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院有关项目的资助。
潜在作用
1、石墨烯有抗菌物质：石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性，则可能找到一系列新的应用，像自动除去气味的鞋子，对有害菌导致的便秘进行快速消除，或保存食品新鲜的包装。
2、石墨烯能够：研究表明，石墨烯过滤器可能大幅度的胜过其他的海水淡化技术。如果能够与水分子分解发电技术结合，水、电就会成为非常廉价的产品。
3、石墨烯能够作为：在甲烷气体中的镍板上，由首先沉积的碳原子形成石墨烯薄膜的形式。然后，在石墨烯层之上铺下一层热塑性保护层，并且在酸浴中溶解掉下面的镍。在最后的步骤中，把塑料保护的石墨烯附着到一个非常灵活的聚合物片材，它可以被纳入一个有机太阳能电池 (OPV电池, 石墨烯光伏电池）。石墨烯/聚合物片材已被生产，大小范围在150平方厘米，和可以用来生产灵活的有机太阳能电池 (OPV电池)。这可能最终有可能运行能覆盖广泛的地区的廉价太阳能电池，就像报纸印刷机的印刷报纸一样。
4、石墨烯具备作为优秀的集成电路电子器件的理想性质。石墨烯具有高的载流子迁移率（carrier mobility），以及低噪声，允许它被用作在场效应晶体管的通道。问题是单层的石墨烯制造困难，更难作出适当的基板。
根据2010年1月的一份报告中，对SiC外延生长石墨烯的数量和质量适合大规模生产的集成电路。在2011年6月，IBM的研究人员宣布，他们已经成功地创造了第一个石墨烯为基础的集成电路-宽带无线混频器。[64] 电路处理频率高达10 GHz，其性能不受温度可高达127摄氏度的影响。
5、石墨烯可以用于超级电容器的导电电极，因石墨烯具有特高的表面面积对质量比例。科学家认为这种电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。
6、石墨烯生物器件。由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺吋厚度、分子闸极结构等等特色，应用于细菌侦测与诊断器件。
科学家希望能够发展出一种快速与便宜的快速电子DNA定序科技。它们认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。基本而言，他们想要用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞，让DNA分子游过这纳米洞。由于DNA的四个碱基（A、 C、 G、T）会对于石墨烯的电导率有不同的影响，只要测量DNA分子通过时产生的微小电压差异，就可以知道到底是哪一个碱基正在游过纳米洞。
7、作为导热材料或者热界面材料。
8、单分子气体侦测。石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。通过穿透式电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程。通过测量霍尔效应方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时，吸附位置会发生电阻的局域变化。当然，这种效应也会发生于别种物质，但石墨烯具有高电导率和低噪声的优良品质，能够侦测这微小的电阻变化。
石墨烯比表面的检测方法
石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法；化学方法是化学还原法与化学解理法。
石墨烯比表面检测方法有3H-2000系列的BET多点法、BET单点法、Langmuir多点法、固体标样参比法等测试。此方法能有效快速检测到石墨烯比表面。
锂电池负极材料的主要种类有天然石墨(59%)，人造石墨(30%)，中间相炭微球(8%)及其他类型(3%)。石墨类负极材料仍然占据锂电负极材料的主流地位，但新型负极材料（如钛酸锂等、石墨烯）等的研发与应用也开始受到业内关注。
石墨烯是一种新型材料，其创始研究人员获得2010年诺贝尔化学奖。将石墨烯应用于锂电池负极材料中，可以大幅度提高负极材料的电容量和大倍率充放电性能。
范文四：半导体禁带宽度
l 半导体禁带宽度的涵义：
禁带宽度是半导体的一个重要特征参量。
（1）禁带宽度表示晶体中的公有化电子所不能具有的能量范围：即晶体中不存在具有禁带宽度范围内这些能量的电子，即禁带中没有晶体电子的能级。这是量子效应的结果。注意：虽然禁带中没有公有化电子的能级，但是可以存在非公有化电子（即局域化电子）的能量状态——能级，例如杂质和缺陷上电子的能级。
（2）禁带宽度表示价键束缚的强弱：半导体价带中的大量电子都是晶体原子价键上的电子（称为价电子），不能够导电；对于满带，其中填满了价电子，即其中的电子都是受到价键束缚的价电子，不是载流子。只有当价电子跃迁到导带（即本征激发）而产生出自由电子和自由空穴后，才能够导电。因此，禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度、或者价键强弱的一个物理量，也就是产生本征(热)激发所需要的平均能量。
价电子由价带跃迁到导带（即破坏价键）的过程称为本征激发。一个价电子通过热激发由价带跃迁到导带（即破坏一个价键）、而产生一对电子-空穴的几率，与禁带宽度Eg和温度T有指数关系，即等于exp(-Eg/kT)。
Si的原子序数比Ge的小，则Si的价电子束缚得较紧，所以Si的禁带宽度比Ge的要大一些。GaAs的价键还具有极性（离子性），对价电子的束缚更紧，所以GaAs的禁带宽度更大。
绝缘体的的价电子束缚得非常紧，则禁带宽度很大。金刚石在一般情况下就是绝缘体，因为碳（C）的原子序数很小，对价电子的束缚作用非常强，价电子一般都摆脱不了价键的束缚，则不能产生出载流子，所以不导电。
实际上，本征激发除了热激发的形式以外，还有其它一些形式。如果是光照使得价电子获得足够的能量、挣脱共价键而成为自由电子，这是光学本征激发（竖直跃迁）；这种本征激发所需要的平均能量要大于热学本征激发的平均能量——禁带宽度。如果是电场加速作用使得价电子受到高能量电子的碰撞、发生电离而成为自由电子，这是碰撞电离本征激发；这种本征激发所需要的平均能量大约为禁带宽度的1.5倍。
（3）禁带宽度表示电子与空穴的势能差：导带底是导带中电子的最低能量，故可以看作为电子的势能。价带顶是价带中空穴的最低能量，故可以看作为空穴的势能。离开导带底和离开价带顶的能量就分别为电子和空穴的动能。
（4）虽然禁带宽度是一个标志导电性能好坏的重要参量，但是也不是绝对的。因为一个价电子由价带跃迁到导带的几率与温度有指数函数关系，所以当温度很高时，即使是绝缘体（禁
带宽度很大），也可以发生本征激发，即可以产生出一定数量的本征载流子，从而能够导电。这就意味着，绝缘体与半导体的导电性在本质上是相同的，差别仅在于禁带宽度不同；绝缘体在足够高的温度下，也可以认为是半导体。实际上这是很自然的，因为绝缘体与半导体的能带结构具有很大的共同点——存在禁带，只是宽度有所不同而已。
l 半导体禁带宽度的温度系数为负：
如果由许多孤立原子结合而成为晶体的时候，一条原子能级就简单地对应于一个能带，那么当温度升高时，晶体体积膨胀，原子间距增大，能带宽度变窄，则禁带宽度将增大，于是禁带宽度的温度系数为正。但是，实际上只有少数几种半导体的禁带宽度具有正的温度系数。
对于常用的Si、Ge和GaAs等半导体，由于它们在由原子结合而成为晶体的时候，价键将要产生所谓杂化（s态与p态混合——sp3杂化），结果就使得一条原子能级并不是简单地对应于一个能带。所以，当温度升高时，晶体的原子间距增大，能带宽度虽然变窄，但禁带宽度却是减小的——负的温度系数。（参见图片2。）
电阻=初始电阻e^(-Eg/KT),
范文五：TiO2禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响
TiO2禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响
第卷第期.
发 光 学 报
年月 .,
文章编号:??
禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响
刘子传,郑经堂,赵东风,吴明铂
中国石油大学华东重质油国家重点实验室,山东青岛
的和
摘要:为了研究:禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响,使用 模块分别对、”、“、种金属离子掺杂:的能带结构和光学性质进行分析。分子
模
拟表明:金属离子掺杂使:的禁带宽度变窄、吸收波长红移,相同光照条件下
光吸收系数增加,影响了:
的光催化性能。光催化反应实验表明:在 时光催化性能最 照射条件下,:的禁带宽度为.
好,:的光吸收系数越大,光催化性能越好。
关键词::;分子模拟;禁带宽度;光吸收系数;金属离子掺杂 文献标识码:
中图分类号:; :./., , ?, ?,, ,
.:.
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,?,“, .,.
,. , . .
,
:; ; ; ;
载到钛板引、玻璃。?等载体上后,其光催化处 引 言
理效果会降低。研究表明,使用金属离子掺 杂 。等先进改性技术可以提高负载后纳米 纳米:光催化技术可以将有机污染物矿 ,的光催化处理效果’’ 。相对于实验研究. 化为二氧化碳和水等简单无机物,在废水处理中 分子模拟技术可以克服实验因素影响,更易于深 有广阔的应用前景。。但纳米:在使用中存 入分析金属离子掺杂引起,内部结构的变 在效率不高、容易失活等缺点睁引,尤其是将其负 收稿日期:.?;修订日期:?
基金项目:国家自然科学基金,;山东省自然科学基金;中央高校基本科研业
务专项资金
资助项目
作者简介:刘子传一,男,山东昌乐人,主要从事纳米光催化材料方面的研究。
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万方数据 发 光 学 报 第卷
长为 的低压汞灯 ,对.溶
化【引。赵宗彦等坞利用分子模拟技术研究了 ,的能带结构和吸收光谱,陈华 、刘其军】 液 ~,约为 ?‘进行光
等利用分子模拟技术研究了,的光学性质,殷 催化处理,以. 时.溶液的降
春浩心、刘学军川、敖特根等则利用分子模 解率代表:的光催化性能。
拟技术研究了、、掺杂对,能带结构和 ??
光学性质的影响。
本文将实验研究和分子模拟技术相结合,研 究,能带结构和光学性质对光催化性能的影 响。以溶胶一凝胶法制备钛板负载纳水,,用 、、“、种金属离子对,进行
掺杂改性,以聚乙二醇模拟废水
?
为光催化处理对象.对不同改性条件下纳米, 、一
的光催化性能进行考察。使用 的
图 ,/光催化处理模拟废水装置网
模块和模块对种金属离子掺杂
.
,分别进行能带结构、光吸收系数分子模拟分 析。通过光催化反应实验和分子模拟分析研究 按照上述操作要求,分别使用未掺杂和、 ,禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的 ?、、种金属离子掺杂的纳米,对 影响。
模拟废水进行光催化反应,处理效果如表 所示。
实 验
表
:对的光催化处理效果
.仪器和试剂
实验仪器:.型加热磁力搅拌机杭州仪 ,
表电机厂,?电热恒温干燥箱中国重庆 四达实验仪器厂, .型垂直提掩机沈阳 科晶设备制造有限公司。..箱式电阻炉 山东省龙口市先科仪器公司。
分子模拟
实验试剂:钛酸四正丁酯化学纯,无水乙 利用 的自带结构构建,
醇分析纯,硝酸分析纯,,分析纯,
超级单胞。通过 的模块和
分析纯,。?:分析纯,
,、分析纯。
模块,采用基于密度泛函理论
.金属离子掺杂,的制备
,的平面波超软赝势方法对
冰水浴下将 钛酸四正丁酯加入到
,和掺杂、、“、种金属离子
去离子水中.搅拌得到均匀透明的黄色溶液。
的,分别进行能带结构和光学性质模拟分析。
配制掺杂计算量金属离子的硝酸水溶液 掺 在掺杂前后的结构优化环节,交
换相关函数均采
杂比例为摩尔比,加人到 无水乙醇中。将 用广义梯度近似, .
钛酸四正丁酯溶液在剧烈搅拌下以每秒滴的速
,赝势函数采用.
度缓慢滴人硝酸的混合溶液中,继续搅拌 , 梯度修正函数。 ×
静置 得到粘稠的溶胶溶液。将钛板 利用模块进行能带结构分析的计算参数
×
缓慢浸入溶胶溶液,静置 后 为:计算精度、各基函数精度、布里渊区采样均
设置
以 /的速度垂直提拉出.晾干后焙烧。重 为中等,自洽场迭代误差设置为.一。
复上述操作制备镀膜层的锐钛矿相,。
利用模块进行光吸收系数分析的计
.光催化反应实验
算参数为:计算精度和布里渊区采样设置为中等. 光催化反应装置如图所示。实验使用主波 动能截断能设置为 .自洽计算收
敛精度
万方数据第期
刘子传,等::禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响 设置为.一 /。
。一
结果与讨论
二二
一一/,。
.金属离子掺杂对,能带结构和光吸收
系数的影响
..
金属离子掺杂对能带结构的影响
无掺杂:和、、“、种金/
属离子掺杂,的能带结构分析如图和网?巾二‘分】 所示,,和种金属离子掺杂,的禁带宽度 二
.
数据分析如表所示。
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图
种金属离子掺杂:的能带结构分析图 .表金属离子掺杂对:能带结构的影响 密,带之间的距离变窄,表明,产生了许多新 能级可以称为杂质能级,能级间的宽度变窄, 使电子在能级间跃迁变得容易。 ,的禁带宽度变窄。禁带宽度的变化 非常明显,可以使吸收波长红移,其中和 ?掺杂的影响最为明显,分别使,的禁带宽 能带结构分析表明:,的能带中存在两个 度变为. 和.
。
和.
禁带,宽度分别为. ,其中能够
..金属离子掺杂对光吸收系数的影向 由紫外线照射引发电子跃迁的为. 的禁
根据..中禁带宽度计算值和实验值之 带。本文的计算结果与文献结果基本一致, 差,计算时设置剪刀差为.
。,和种
小于实验测量值. ‘,这是近似带来 金属离子掺杂,的光吸收系数变化如图所 的影响『
。金属离子掺杂使,的能带结构发
生了两方面变化: 示,光吸收系数具体数据分析如表所示。
,的能级发生分裂。能带结构更加致 光吸收系数分析表明:无掺杂,的吸收阈
万方数据 发 光
学 报 第卷
析结果,,禁带宽度对光催化性能的影响如图 所示。
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周金属离予掺杂,的光吸收系数 ’
.
罔 ,禁带宽度变化对光催化性能的影响?
.
表金属离子掺杂:的光吸收系数 ,
图表明,禁带宽度对纳米,的光催化性
能有重要影响。禁带宽度既不是越大越好,也不 是越小越好,而是存在一个最佳值,实验中在心 掺杂使禁带宽度为. 时的光催化效果最 好。当禁带宽度过大时,紫外光照射不能引发或 只能引发少量电子跃迁,产生的光生电子一空穴对 虽然具有强氧化性,但数量太少,光催化效率不 高;随着禁带宽度变小.光生电子一空穴对的氧化 能力逐渐减弱,但数量增多,光催化效率得到提 高;当禁带宽度过小时,虽然能产生大量光牛电 值大约在 .与业界认可的吸收阈值基本一 子.空穴对,但其氧化能力太低,光催化效率下降。 致?。金属离子的掺杂影响了,的光吸收 ..
光吸收系数对光催化性能的影响
性能:
根据.的实验结果和..的分子模拟分
种金属离子均使,的光吸收波长红
析结果.,光吸收系数对光催化性能的影响如 移。无掺杂,对波长超过 的光基本不
图所示。
吸收,掺杂后的,均有不同程度吸收,其巾 掺杂,在 时的吸收系数最大,达
攫
到了 , 王
三
种金属离子掺杂,对光的吸收随波 自 .
长变化趋势不同。无掺杂和、掺杂, 三
皇
害
的光吸收系数随光照波长增加不断降低。“、 旦
王
山
?掺杂,随光照波长增加现了第二个吸 收峰,其中掺杂,的吸收峰较大,峰值 现在
左右,?掺杂,的吸收峰相对
图 ,光吸收系数变化对光催化性能的影响 较小,峰值现在 左右。
.?
.
:禁带宽度和光吸收系数对光催化性能的影响
..
禁带宽度对光催化性能的影响
图表明,随着,对照射光吸收强度的增
根据.的实验结果和..的分子模拟分
加,纳米,的光催化性能逐渐提高。由于半导 万方数据
第期 刘子传,等::禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响
的能级发生分裂,产生许多新能级称为杂质能 体的特殊性,:口、台譬吸收引发电子跃迁的照射 光。因此,在 照射条件下,光吸收系数越 级,能级问的宽度变窄,使电子在能
级问跃迁变
得容易。
高,说明:对光的吸收强度越高,激发产生的 电子.空穴对越多,光催化性能越强。 金属离子掺杂使,的光吸收波长红
移,无掺杂,对波长超过 的光基本不
结 论
吸收,掺杂后的,均有不同程度吸收,其中 使用 的模块和 和 处
、掺杂,分别在
模块对,和掺杂、?、、 出现了第二个吸收峰。 禁带宽度变化影响了,的光催化性
种金属离子的,分别进行能带结构、光
能,且禁带宽度存在一个最佳值. 照射条 学性质模拟分析,利用制备的纳米,对 模拟废水进行光催化反应。通过分子模拟和实验 件下,在掺杂使禁带宽度为.
时:
的光催化性能最好。
结果分析,主要得到以下结论:
,的光催化性能随光吸收系数增加逐 金属离子掺杂使,的禁带宽度变窄, 其中和掺杂的影响最为明显,分别使 渐提高,在 照射条件下,掺杂:的
,的禁带宽度变为. 和. 。, 光吸收系数最高,光催化性能最好。
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万方数据
