石墨烯材料在半导体中的应用

导带和价带相交于布里渊区的一点——狄拉克点．如图1 2所示。在该点附近．电子的静止有效质量为零，是典型的狄拉克费米子特征，其费米速度高达lO。m／s，是光速的1／300。电子波在石墨烯中的传输被限制在一个原子层厚度的范围内，因此具有二维电子气的特征，容易在高磁场作用下形成朗道能级，进而出现量子霍尔效应。由于电子赝自旋的发生．电子在传输运动过程中对声子散射不敏感，使得常温下就可以观察到量子霍尔效应。除了整数量子霍尔效应以外，石墨烯特有的能带结构导致有新的电子传导现象发生，如分数量子霍尔效应、量子隧穿效应、双极性电场效应等。

    3．石墨烯能带结构的调控

    有限尺度的石墨烯纳米结构具有特殊的边缘电子态．正如块状材料存在一定的表面态一样，与石墨烯晶体结构零带隙导致的半金属态不同，石墨烯纳米带由于受到量子化的限制，电子态具有依赖于纳米带宽度和边缘原子结构类型的性质。如图1  3所示为两种石墨烯纳米带，研究者发现锯齿形边缘结构的石墨烯纳米带具有金属性质，而且费米面能级附近的电子态集中在石墨烯的边缘。而扶手椅形边缘结构的石墨烯纳米带根据宽度不同表现出金属性或半导体性，其能隙会随纳米带宽度的变化而变化。基于这一特性，通过合理设计不同宽度和边界类型的石墨烯纳米带及其进一步的组合，可以实现纳米电子器件的有效构筑。比如，选取分别具有金属性和半导体性的石墨烯纳米带可以形成肖特基势垒，进一步构筑的三明治结构可以形成量子点，而且量子态可以通过石墨烯纳米带的结构进行有效控制。

    石墨烯的层数也与其性质有很大关联，严格意义上讲，只有单层结构才称为石墨烯，但在实际应用中，并非只有单层石墨烯才能表现出工程需要的优异特性，因此，行业内的基本共识是，10层以下的结构可统称为石墨烯材料，可细分为单层石墨烯、双层石墨烯以及少层石墨烯。理论上双层石墨烯中的载流子能谱为手性无质量的能谱形式，其能量正比于动量的平方，与单层石墨烯相比既有类似之处又有差异。从结构上看，双层石墨烯是由两个单层石墨烯按照一定的堆垛模式而形成的，有AB堆垛和非AB堆垛之分。由于层间“轨道的耦合，在施加外电场后很容易打开带隙而成为半导体。随着层数的继续增加，石墨烯的能带结构也会逐渐变得复杂。比如，三层石墨烯具有半金属特性，同时其带隙可以通过栅压的调节来控制。图1—4所示是不同层数石墨烯的能带结构。最近的研究证实，通过合理施加垂直于石墨烯平面的电场，其带隙随外场大小可以在O．1～0．3 eV范围内发生变化。石墨烯层数的变化会相应带来其性质的改变，这为通过调控石墨烯的性质来适应应用需求提供了很好的途径。

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