石(dàn)墨(mò)烯特(tè)性(xìng)專業解(jiě)釋之(zhī):可(kě)飽和(hé)吸收(shōu)特(tè)性(xìng)

 

　　石(dàn)墨(mò)烯(Graphene)是(shì)一(yī)種(zhǒng)由(yóu)碳原子以(yǐ)sp2杂化(huà)方(fāng)式形成(chéng)的(de)蜂窩狀平面(miàn)薄膜，是(shì)一(yī)種(zhǒng)只(zhī)有(yǒu)一(yī)个(gè)原子层(céng)厚度(dù)的(de)準二(èr)維材料，所(suǒ)以(yǐ)又叫做单原子层(céng)石(dàn)墨(mò)。英國(guó)曼徹斯特(tè)大(dà)學(xué)物理(lǐ)學(xué)家(jiā)安(ān)德烈·蓋姆和(hé)康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用(yòng)微機(jī)械剝離法(fǎ)成(chéng)功從石(dàn)墨(mò)中分(fēn)離出(chū)石(dàn)墨(mò)烯，因(yīn)此(cǐ)共(gòng)同(tóng)獲得2010年(nián)諾貝爾物理(lǐ)學(xué)獎。由(yóu)于(yú)石(dàn)墨(mò)烯具有(yǒu)十(shí)分(fēn)良好(hǎo)的(de)強(qiáng)度(dù)、柔韌、導電(diàn)、導热(rè)、光(guāng)學(xué)特(tè)性(xìng)，在(zài)物理(lǐ)學(xué)、材料學(xué)、電(diàn)子信(xìn)息、計(jì)算機(jī)、航空(kōng)航天(tiān)等領域都得到(dào)了(le)长(cháng)足的(de)發(fà)展(zhǎn)。

 

　　作(zuò)为(wèi)目前發(fà)現(xiàn)的(de)最(zuì)薄、強(qiáng)度(dù)最(zuì)大(dà)、導電(diàn)導热(rè)性(xìng)能(néng)最(zuì)強(qiáng)的(de)一(yī)種(zhǒng)新型納米(mǐ)材料，石(dàn)墨(mò)烯被稱为(wèi)“黑(hēi)金”，是(shì)“新材料之(zhī)王”，科學(xué)家(jiā)甚至(zhì)预言石(dàn)墨(mò)烯将“徹底改變(biàn)21世紀”。极(jí)有(yǒu)可(kě)能(néng)掀起(qǐ)一(yī)场(chǎng)席(xí)卷(juǎn)全(quán)球的(de)颠覆性(xìng)新技術(shù)新産業革(gé)命。

 

　　可(kě)飽和(hé)吸收(shōu)特(tè)性(xìng)

 

　　當輸入的(de)光(guāng)波(bō)強(qiáng)度(dù)超过(guò)阈值时(shí)，这(zhè)獨特(tè)的(de)吸收(shōu)性(xìng)質(zhì)会(huì)開(kāi)始(shǐ)變(biàn)得飽和(hé)。这(zhè)種(zhǒng)非(fēi)線(xiàn)性(xìng)光(guāng)學(xué)行为(wèi)稱为(wèi)可(kě)飽和(hé)吸收(shōu)，阈值稱为(wèi)飽和(hé)流暢性(xìng)。給(gěi)予強(qiáng)烈的(de)可(kě)見(jiàn)光(guāng)或(huò)近(jìn)紅(hóng)外(wài)線(xiàn)激發(fà)，因(yīn)为(wèi)石(dàn)墨(mò)烯的(de)整體(tǐ)光(guāng)波(bō)吸收(shōu)和(hé)零(líng)能(néng)隙性(xìng)質(zhì)，石(dàn)墨(mò)烯很容易就(jiù)變(biàn)得飽和(hé)。石(dàn)墨(mò)烯可(kě)以(yǐ)用(yòng)于(yú)光(guāng)纖激光(guāng)器的(de)鎖模運作(zuò)。用(yòng)石(dàn)墨(mò)烯制備成(chéng)的(de)可(kě)飽和(hé)吸收(shōu)器能(néng)夠达(dá)成(chéng)全(quán)頻带(dài)鎖模。由(yóu)于(yú)这(zhè)特(tè)殊性(xìng)質(zhì)，在(zài)超快光(guāng)子學(xué)里(lǐ)，石(dàn)墨(mò)烯有(yǒu)很广泛的(de)應(yìng)用(yòng)空(kōng)間(jiān)。

 

　　石(dàn)墨(mò)烯对(duì)光(guāng)的(de)線(xiàn)性(xìng)吸收(shōu)

 

　　當光(guāng)照射在(zài)石(dàn)墨(mò)烯上(shàng)，價带(dài)的(de)電(diàn)子吸收(shōu)光(guāng)子的(de)能(néng)量被激勵至(zhì)導带(dài)上(shàng)。单层(céng)石(dàn)墨(mò)烯的(de)光(guāng)電(diàn)導率依賴于(yú)精细(xì)結構常數α:

 

　　其(qí)中，e是(shì)電(diàn)子電(diàn)荷， c是(shì)光(guāng)速。单层(céng)懸空(kōng)石(dàn)墨(mò)烯的(de)線(xiàn)性(xìng)透射率为(wèi):

 

　　所(suǒ)以(yǐ)单层(céng)石(dàn)墨(mò)烯对(duì)光(guāng)的(de)吸收(shōu)率为(wèi)2.3%，而(ér)在(zài)可(kě)見(jiàn)光(guāng)区域，单层(céng)石(dàn)墨(mò)烯的(de)反(fǎn)射率要(yào)小于(yú)0.1%，10层(céng)石(dàn)墨(mò)烯的(de)反(fǎn)射率也僅有(yǒu)2%。而(ér)多(duō)层(céng)石(dàn)墨(mò)烯的(de)透过(guò)率为(wèi):

 

　　相比于(yú)其(qí)它半導體(tǐ)材料，比如(rú)常見(jiàn)的(de)砷化(huà)镓GaAs量子陷材料，10nm厚的(de)GaAs对(duì)近(jìn)带(dài)隙的(de)光(guāng)子吸收(shōu)僅有(yǒu)1%，石(dàn)墨(mò)烯的(de)吸收(shōu)效率要(yào)高(gāo)近(jìn)百(bǎi)倍，非(fēi)常有(yǒu)利于(yú)研制微型光(guāng)學(xué)器件(jiàn)。

 

　　除此(cǐ)之(zhī)外(wài)，半導體(tǐ)材料的(de)吸收(shōu)波(bō)长(cháng)取(qǔ)決于(yú)能(néng)带(dài)間(jiān)隙，即禁带(dài)的(de)宽(kuān)度(dù)，常用(yòng)的(de)化(huà)合物半導體(tǐ)，比如(rú)GaAs、AlGaAs、InGaAs等，它们的(de)吸收(shōu)带(dài)一(yī)般被限制在(zài)可(kě)見(jiàn)光(guāng)和(hé)近(jìn)紅(hóng)外(wài)波(bō)段(duàn)，由(yóu)于(yú)石(dàn)墨(mò)烯導带(dài)和(hé)價带(dài)相交的(de)零(líng)带(dài)隙獨特(tè)結構，理(lǐ)論上(shàng)石(dàn)墨(mò)烯对(duì)任何波(bō)长(cháng)都有(yǒu)吸收(shōu)作(zuò)用(yòng)。

 

　　石(dàn)墨(mò)烯的(de)超飽和(hé)吸收(shōu)機(jī)理(lǐ)

 

　　當強(qiáng)光(guāng)照射到(dào)石(dàn)墨(mò)烯上(shàng)时(shí)，石(dàn)墨(mò)烯的(de)吸收(shōu)不(bù)再線(xiàn)性(xìng)，而(ér)是(shì)非(fēi)線(xiàn)性(xìng)的(de)依賴光(guāng)強(qiáng)，这(zhè)个(gè)效應(yìng)稱为(wèi)光(guāng)的(de)可(kě)飽和(hé)吸收(shōu)。

 

　　(a)光(guāng)激勵電(diàn)子躍遷。(b)载(zài)流子热(rè)平衡。(c)吸收(shōu)阻斷

 

　　(a) Interband transition of the electron due to the light excitation. (b)Hot carriers lend to thermal balance. (c)Blocking of absorption for light .

 

　　如(rú)上(shàng)图(tú)所(suǒ)示，初始(shǐ)在(zài)光(guāng)子的(de)照射下(xià)，價带(dài)上(shàng)的(de)電(diàn)子吸收(shōu)光(guāng)子的(de)能(néng)量躍遷至(zhì)導带(dài)(a)。随後(hòu)热(rè)载(zài)流子能(néng)量降低(dī)到(dào)平衡态。由(yóu)于(yú)電(diàn)子是(shì)費米(mǐ)子，遵循泡利不(bù)相容原理(lǐ)，所(suǒ)以(yǐ)每个(gè)電(diàn)子将按照費米(mǐ)-狄拉克分(fēn)布從低(dī)能(néng)量的(de)狀态開(kāi)始(shǐ)占據(jù)一(yī)个(gè)能(néng)量狀态。價带(dài)的(de)電(diàn)子也将重(zhòng)新分(fēn)布到(dào)低(dī)能(néng)量狀态，能(néng)量高(gāo)的(de)狀态被空(kōng)穴占據(jù)。这(zhè)个(gè)过(guò)程同(tóng)时(shí)伴随着電(diàn)子-空(kōng)穴複合和(hé)聲子散(sàn)射(b)。在(zài)光(guāng)強(qiáng)足夠大(dà)的(de)狀态下(xià)，電(diàn)子被源源不(bù)斷激勵到(dào)導带(dài)，最(zuì)終(zhōng)價带(dài)和(hé)導带(dài)光(guāng)子能(néng)量的(de)子带(dài)完全(quán)被電(diàn)子和(hé)空(kōng)穴占據(jù)，带(dài)間(jiān)躍遷被阻斷，此(cǐ)时(shí)石(dàn)墨(mò)烯飽和(hé)，光(guāng)子無損耗的(de)通(tòng)过(guò)(c)。

 

　　上(shàng)述電(diàn)子被激勵到(dào)導带(dài)的(de)動(dòng)力學(xué)过(guò)程中存在(zài)两(liǎng)个(gè)超快的(de)弛豫时(shí)間(jiān)，分(fēn)别是(shì):

 

　　(1)通(tòng)过(guò)载(zài)流子-载(zài)流子散(sàn)射实現(xiàn)带(dài)內(nèi)载(zài)流子的(de)热(rè)平衡τ1;

 

　　(2)载(zài)流子-聲子散(sàn)射和(hé)带(dài)間(jiān)载(zài)流子的(de)複合τ2。相比于(yú)τ1，不(bù)同(tóng)的(de)生(shēng)长(cháng)条(tiáo)件(jiàn)对(duì)τ2影響更(gèng)为(wèi)明(míng)顯，因(yīn)为(wèi)带(dài)內(nèi)载(zài)流子的(de)热(rè)平衡时(shí)間(jiān)极(jí)短(duǎn)，大(dà)概在(zài)0.07-0.12ps，可(kě)以(yǐ)有(yǒu)效的(de)穩定(dìng)鎖模，産生(shēng)飛秒(miǎo)脈冲。而(ér)带(dài)間(jiān)载(zài)流子複合时(shí)間(jiān)較长(cháng)，在(zài)0.4-1.7ps範圍內(nèi)，可(kě)以(yǐ)起(qǐ)到(dào)啟動(dòng)鎖模的(de)作(zuò)用(yòng)。如(rú)下(xià)图(tú)所(suǒ)示:

 

　　電(diàn)子躍遷到(dào)導带(dài)的(de)时(shí)刻(kè)處(chù)于(yú)非(fēi)平衡狀态，通(tòng)过(guò)與(yǔ)其(qí)它载(zài)流子的(de)相互碰撞散(sàn)射，达(dá)到(dào)热(rè)平衡的(de)时(shí)間(jiān)要(yào)比其(qí)带(dài)間(jiān)躍遷的(de)时(shí)間(jiān)短(duǎn)的(de)多(duō)。所(suǒ)以(yǐ)，可(kě)認为(wèi)導带(dài)內(nèi)的(de)非(fēi)平衡電(diàn)子以(yǐ)及(jí)在(zài)價带(dài)內(nèi)産生(shēng)的(de)非(fēi)平衡空(kōng)穴都處(chù)于(yú)一(yī)種(zhǒng)“準平衡狀态”。石(dàn)墨(mò)烯的(de)非(fēi)線(xiàn)性(xìng)吸收(shōu)依賴于(yú)準費米(mǐ)能(néng)級上(shàng)的(de)载(zài)流子密度(dù)，其(qí)相應(yìng)的(de)吸收(shōu)系(xì)數可(kě)以(yǐ)表(biǎo)示为(wèi):

 

　　其(qí)中，a0*为(wèi)初始(shǐ)吸收(shōu)系(xì)數，f1和(hé)f2分(fēn)别是(shì)载(zài)流子在(zài)價带(dài)和(hé)導带(dài)的(de)費米(mǐ)占據(jù)幾(jǐ)率。如(rú)果(guǒ)碰撞弛豫过(guò)程足夠快，能(néng)讓载(zài)流子热(rè)能(néng)化(huà)，占據(jù)幾(jǐ)率表(biǎo)示为(wèi):

 

　　其(qí)中，E1和(hé)E2分(fēn)别是(shì)電(diàn)子躍遷的(de)初态和(hé)末(mò)态的(de)能(néng)量，两(liǎng)者(zhě)之(zhī)間(jiān)的(de)差为(wèi)吸收(shōu)光(guāng)子能(néng)量hw ，F1和(hé)f2分(fēn)别是(shì)價带(dài)和(hé)導带(dài)準費米(mǐ)能(néng)級上(shàng)载(zài)流子的(de)能(néng)量。

 

　　石(dàn)墨(mò)烯是(shì)直(zhí)接間(jiān)隙半導體(tǐ)，導带(dài)和(hé)價带(dài)在(zài)k空(kōng)間(jiān)里(lǐ)相互具有(yǒu)很好(hǎo)的(de)对(duì)稱性(xìng)，载(zài)流子遵循費米(mǐ)子-狄拉克分(fēn)布，因(yīn)此(cǐ)在(zài)可(kě)見(jiàn)光(guāng)和(hé)近(jìn)紅(hóng)外(wài)波(bō)段(duàn)的(de)带(dài)間(jiān)吸收(shōu)系(xì)數可(kě)簡化(huà)为(wèi):

 

　　其(qí)中， E1=-hw/2，E2=hw/2，hw是(shì)光(guāng)子的(de)平均能(néng)量，在(zài)弱(ruò)光(guāng)的(de)激發(fà)下(xià)，石(dàn)墨(mò)烯的(de)吸收(shōu)與(yǔ)载(zài)流子的(de)濃度(dù)線(xiàn)性(xìng)相關(guān)。但是(shì)在(zài)強(qiáng)光(guāng)的(de)激發(fà)下(xià)，载(zài)流子濃度(dù)遠(yuǎn)高(gāo)于(yú)弱(ruò)光(guāng)激發(fà)的(de)情(qíng)況，fi将接近(jìn)于(yú)Ei並(bìng)且(qiě)fi趨近(jìn)于(yú)0.5，α*趨近(jìn)于(yú)0，即吸收(shōu)达(dá)到(dào)飽和(hé)，也就(jiù)是(shì)说(shuō)石(dàn)墨(mò)烯被漂白(bái)。

 

　　石(dàn)墨(mò)烯特(tè)性(xìng)延伸阅读(dú)

 

　　導電(diàn)性(xìng)

 

　　石(dàn)墨(mò)烯的(de)問(wèn)世引起(qǐ)了(le)全(quán)世界的(de)研究热(rè)潮。它不(bù)僅是(shì)已知材料中最(zuì)薄的(de)一(yī)種(zhǒng)，還(huán)非(fēi)常牢固堅硬(yìng);作(zuò)为(wèi)单質(zhì)，它在(zài)室(shì)温(wēn)下(xià)傳遞電(diàn)子的(de)速度(dù)比已知導體(tǐ)都快。石(dàn)墨(mò)烯在(zài)原子尺度(dù)上(shàng)結構非(fēi)常特(tè)殊，必須用(yòng)相对(duì)論量子物理(lǐ)學(xué)(relativistic quantum physics)才能(néng)描绘。

 

　　石(dàn)墨(mò)烯結構非(fēi)常穩定(dìng)，迄今为(wèi)止，研究者(zhě)仍未發(fà)現(xiàn)石(dàn)墨(mò)烯中有(yǒu)碳原子缺失的(de)情(qíng)況。石(dàn)墨(mò)烯中各(gè)碳原子之(zhī)間(jiān)的(de)連(lián)接非(fēi)常柔韌，當施加外(wài)部(bù)機(jī)械力时(shí)，碳原子面(miàn)就(jiù)彎曲(qū)變(biàn)形，從而(ér)使碳原子不(bù)必重(zhòng)新排列来(lái)适應(yìng)外(wài)力，也就(jiù)保持(chí)了(le)結構穩定(dìng)。

 

　　这(zhè)種(zhǒng)穩定(dìng)的(de)晶格結構使碳原子具有(yǒu)優秀的(de)導電(diàn)性(xìng)。石(dàn)墨(mò)烯中的(de)電(diàn)子在(zài)軌道(dào)中移動(dòng)时(shí)，不(bù)会(huì)因(yīn)晶格缺陷或(huò)引入外(wài)来(lái)原子而(ér)發(fà)生(shēng)散(sàn)射。由(yóu)于(yú)原子間(jiān)作(zuò)用(yòng)力十(shí)分(fēn)強(qiáng)，在(zài)常温(wēn)下(xià)，即使周圍碳原子發(fà)生(shēng)擠撞，石(dàn)墨(mò)烯中電(diàn)子受到(dào)的(de)干(gàn)擾也非(fēi)常小。

 

　　石(dàn)墨(mò)烯最(zuì)大(dà)的(de)特(tè)性(xìng)是(shì)其(qí)中電(diàn)子的(de)運動(dòng)速度(dù)达(dá)到(dào)了(le)光(guāng)速的(de)1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超过(guò)了(le)電(diàn)子在(zài)一(yī)般導體(tǐ)中的(de)運動(dòng)速度(dù)。这(zhè)使得石(dàn)墨(mò)烯中的(de)電(diàn)子，或(huò)更(gèng)準确地(dì)，應(yìng)稱为(wèi)“载(zài)荷子”(electric charge carrier)，的(de)性(xìng)質(zhì)和(hé)相对(duì)論性(xìng)的(de)中微子非(fēi)常相似。

 

　　機(jī)械特(tè)性(xìng)

 

　　石(dàn)墨(mò)烯是(shì)人(rén)類(lèi)已知強(qiáng)度(dù)最(zuì)高(gāo)的(de)物質(zhì)，比鑽(zuàn)石(dàn)還(huán)堅硬(yìng)，強(qiáng)度(dù)比世界上(shàng)最(zuì)好(hǎo)的(de)鋼(gāng)铁還(huán)要(yào)高(gāo)上(shàng)100倍。哥倫比亚大(dà)學(xué)的(de)物理(lǐ)學(xué)家(jiā)对(duì)石(dàn)墨(mò)烯的(de)機(jī)械特(tè)性(xìng)進(jìn)行了(le)全(quán)面(miàn)的(de)研究。他(tā)们選取(qǔ)了(le)一(yī)些(xiē)10-20微米(mǐ)的(de)石(dàn)墨(mò)烯微粒(lì)。研究人(rén)員先是(shì)将这(zhè)些(xiē)石(dàn)墨(mò)烯樣(yàng)品放(fàng)在(zài)了(le)一(yī)个(gè)表(biǎo)面(miàn)被鑽(zuàn)有(yǒu)小孔的(de)晶體(tǐ)薄闆上(shàng)，这(zhè)些(xiē)孔的(de)直(zhí)徑在(zài)1-1.5微米(mǐ)之(zhī)間(jiān)。之(zhī)後(hòu)，他(tā)们用(yòng)金剛石(dàn)制成(chéng)的(de)探針(zhēn)对(duì)这(zhè)些(xiē)放(fàng)置在(zài)小孔上(shàng)的(de)石(dàn)墨(mò)烯施加壓力，以(yǐ)測試它们的(de)承受能(néng)力。

 

　　在(zài)石(dàn)墨(mò)烯樣(yàng)品微粒(lì)開(kāi)始(shǐ)碎裂前，它们每100納米(mǐ)距離上(shàng)可(kě)承受的(de)最(zuì)大(dà)壓力居(jū)然达(dá)到(dào)了(le)大(dà)约2.9微牛。據(jù)科學(xué)家(jiā)们測算，这(zhè)一(yī)結果(guǒ)相當于(yú)要(yào)施加55牛顿(dùn)的(de)壓力才能(néng)使1米(mǐ)长(cháng)的(de)石(dàn)墨(mò)烯斷裂。如(rú)果(guǒ)用(yòng)石(dàn)墨(mò)烯制成(chéng)包(bāo)裝(zhuāng)袋(dài)，那(nà)麼(me)它将能(néng)承受大(dà)约两(liǎng)吨(dūn)重(zhòng)的(de)物品。

 

　　自旋傳輸

 

　　科學(xué)家(jiā)認为(wèi)石(dàn)墨(mò)烯会(huì)是(shì)理(lǐ)想(xiǎng)的(de)自旋電(diàn)子學(xué)材料，因(yīn)为(wèi)其(qí)自旋-軌道(dào)作(zuò)用(yòng)很小，而(ér)且(qiě)碳元(yuán)素幾(jǐ)乎沒(méi)有(yǒu)核磁矩。使用(yòng)非(fēi)局(jú)域磁阻效應(yìng)，可(kě)以(yǐ)測量出(chū)，在(zài)室(shì)温(wēn)狀況，自旋注入于(yú)石(dàn)墨(mò)烯薄膜的(de)可(kě)靠性(xìng)很高(gāo)，並(bìng)且(qiě)觀測到(dào)自旋相干(gàn)长(cháng)度(dù)超过(guò)1微米(mǐ)。使用(yòng)電(diàn)閘，可(kě)以(yǐ)控制自旋電(diàn)流的(de)极(jí)性(xìng)。

 

　　電(diàn)子的(de)相互作(zuò)用(yòng)

 

　　石(dàn)墨(mò)烯中電(diàn)子間(jiān)以(yǐ)及(jí)電(diàn)子與(yǔ)蜂窩狀栅格間(jiān)均存在(zài)着強(qiáng)烈的(de)相互作(zuò)用(yòng)。科學(xué)家(jiā)借(jiè)助了(le)美(měi)國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家(jiā)实验室(shì)的(de)“先進(jìn)光(guāng)源(ALS)”電(diàn)子同(tóng)步加速器。这(zhè)个(gè)加速器産生(shēng)的(de)光(guāng)輻射亮(liàng)度(dù)相當于(yú)醫學(xué)上(shàng)X射線(xiàn)強(qiáng)度(dù)的(de)1亿(yì)倍。科學(xué)家(jiā)利用(yòng)这(zhè)一(yī)強(qiáng)光(guāng)源觀測發(fà)現(xiàn)，石(dàn)墨(mò)烯中的(de)電(diàn)子不(bù)僅與(yǔ)蜂巢晶格之(zhī)間(jiān)相互作(zuò)用(yòng)強(qiáng)烈，而(ér)且(qiě)電(diàn)子和(hé)電(diàn)子之(zhī)間(jiān)也有(yǒu)很強(qiáng)的(de)相互作(zuò)用(yòng)。