1 石墨烯掺杂的研究
性能优异使石墨烯在复合材料、微纳机电器件、超级电容和高性能电池、灵敏传感器、场发射材料、自旋器件、高频器件、场效应晶体管、触摸屏及太阳能电池诸多领域都有潜在的应用,但本征石墨烯零带隙的特点如漏电流大、开关比低等给其在电子领域的应用带来了困难,因此对石墨烯进行可控的掺杂和能带调控具有极大的挑战。石墨烯的能带结构如图3所示,通过下图我们可以观察看到,图形中间出现了一个锥形区域,那便是石墨烯的价带和导带,可是该区域有许多间隙,结构容易受到晶格替换掺杂、晶格变形、表面吸附、外电场等的影响发生改变,这样会致使石墨烯的费米面在狄拉克锥点发生变化,不论该费米面是向上移动还是向下移动,都会致使主要载流子的结构发生变化,变成电子型或空穴型,在进行了这种变化之后,石墨烯的带隙就很容易被打开了。
图3 上面一排从左到右依次为本征单层石墨烯的能带结构、石墨烯狄拉克点处能带的发大图,下图:石墨烯狄拉克点位置和费米能级随着掺杂变化的原理图,从左到右分别为n型掺杂、本征和p型掺杂石墨烯[7]
根据掺杂目标,石墨烯掺杂可分为n型掺杂、p/n共掺杂、p型掺杂;根据掺杂材料的不同,石墨烯掺杂又可分为极性分子掺杂、晶格掺杂、小分子掺杂以及金属掺杂等等;根据掺杂机制,又可分为吸附掺杂和晶格掺杂。吸附掺杂的本质是电荷之间进行转移,转移对象是掺杂剂和石墨烯。吸附掺杂又可分为两种,主要是看将若掺杂剂的电子最高占据轨道和石墨烯的费米能级两者之间进行比较,若电子最高占据轨道更高,电荷的转移对象便是石墨烯,掺杂剂则不再是转移对象,而是施主,此时形成的吸附掺杂类型是n型掺杂;同理可得,若电子最低未占据轨道更低,电荷的转移对象便是掺杂剂,石墨烯是施主,此时形成的是另一种吸附掺杂—-p型掺杂。晶格掺杂和吸附掺杂有所不同,它的可用时间是在石墨烯生长的过程中,引入掺杂原子,石墨烯的晶格是由碳原子构成的平面六角形,掺杂原子会替换掉其中某个碳原子,然后与邻近碳原子成键。晶格掺杂也会有两种不同的类型,第一种是p型掺杂,形成的条件是碳原子比掺杂原子的价电子多;若掺杂原子的价电子比碳原子多,会产生n型掺杂。掺杂后的石墨烯可应用于透明电池、电容器、锂离子电池、场效应晶体管和燃料电池的电化学催化剂等方面。当然,石墨烯掺杂仍面临许多挑战,特别是当掺杂效果在空气中不稳定时,所以我们能做的就是不抛弃不放弃,一直改进,直至最好的方法出现。
2 石墨烯复合材料的研究
因为石墨烯成本低廉,可化学修饰且性能优异,人们开始利用其特性制备功能不同的石墨烯复合材料,使其可广泛应用于催化剂载体、传感材料、生物材料、电子器件、液晶器件和能量存储等诸多领域。石墨烯复合材料有多种类型,其中被人们广泛使用的便是石墨烯聚合物复合材料,另外两种分别是石墨烯基无机纳米复合材料、块体石墨烯金属基复合材料。石墨烯聚合物复合材料可根据石墨烯与聚合物的作用方式不同分为功能化聚合物复合材料、层状石墨烯聚合物复合材料和石墨烯填充聚合物复合材料。石墨烯基无机纳米复合材料则是通过许多无机材料制得的,其将绝缘的和金属的纳米材料、半导体材料分散,最终于石墨烯层表面制得,石墨烯与纳米粒子是可以相结合的,但是需要无机纳米粒子的帮助,因为其可以对石墨烯片层间的引力起抑制作用,我们可以把得到的复合材料运用于生活中的各个领域,使其得到迅猛的发展。石墨烯复合材料是人们的研究重点,不少学者都想将石墨烯这一“大山”给攻克,可是由于第三种石墨烯在生活中的运用不如前两种广泛,所以也就较少人愿意花时间去研究。,不过石墨烯与金属基体具有独特的作用,并且其优异的增强效果将使块体石墨烯金属基复合材料成为未来研究石墨烯复合材料的热点。
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