石墨烯基礎(chǔ)知識簡介

1、1.石墨烯（Graphene）的結(jié)構(gòu)石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢狀晶格的平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的二維材料。如圖1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定義每個原胞內(nèi)有兩個原子，分別位于A和B的晶格上。C原子外層3個電子通過sp²雜化形成強鍵（藍），相鄰兩個鍵之間的夾角120°，第4個電子為公共，形成弱鍵（紫）。石墨烯的碳-碳鍵長約為0.142nm，每個晶格內(nèi)有三個鍵，所有碳原子的p軌道均與sp²雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個離域鍵，其貫穿整個石墨烯。如圖1.2所示，石墨烯是富勒烯（0維）、碳納米管（1維）、

2、石墨（3維）的基本組成單元，可以被視為無限大的芳香族分子。形象來說，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢狀的晶格結(jié)構(gòu)，看上去就像由六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。每個碳原子通過sp²雜化與周圍碳原子構(gòu)成正六邊形，每一個六邊形單元實際上類似一個苯環(huán)，每一個碳原子都貢獻一個未成鍵的電子，單層石墨烯的厚度僅為0.335nm，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。圖 1.1（a）石墨烯中碳原子的成鍵形式 （b）石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)。圖1.2石墨烯原子結(jié)構(gòu)圖及它形成富勒烯、碳納米管和石墨示意圖石墨烯按照層數(shù)劃分，大致可分為單層、雙層和少數(shù)層石墨烯。前兩類具有相似的電子譜，均為零帶隙結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體（價帶和導(dǎo)帶相較于一

3、點的半金屬），具有空穴和電子兩種形式的載流子。雙層石墨烯又可分為對稱雙層和不對稱雙層石墨烯，前者的價帶和導(dǎo)帶微接觸，并沒有改變其零帶隙結(jié)構(gòu)；而對于后者，其兩片石墨烯之間會產(chǎn)生明顯的帶隙，但是通過設(shè)計雙柵結(jié)構(gòu)，能使其晶體管呈示出明顯的關(guān)態(tài)。單層石墨烯（Graphene）：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。雙層石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。少層石墨烯（Few-layer

4、 or multi-layer graphene）：指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。石墨烯（Graphenes）：是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱。由于二維晶體在熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性，所以不管是以自由狀態(tài)存在或是沉積在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微觀尺度的褶皺，蒙特卡洛模擬和透射電子顯微鏡都證明了這一點。這種微觀褶皺在橫向上的尺度在 810nm 范圍內(nèi)，縱向尺度大概為 0.71.0nm。這種三維的變化可引起靜電的產(chǎn)生，所以使石墨單層容易聚集。

5、同時，褶皺大小不同，石墨烯所表現(xiàn)出來的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)也不同。圖1.3 單層石墨烯的典型構(gòu)象除了表面褶皺之外，在實際中石墨烯也不是完美存在的，而是會有各種形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元環(huán)，七元環(huán)等）、空洞、邊緣、裂紋、雜原子等。這些缺陷會影響石墨烯的本征性能，如電學(xué)性能、力學(xué)性能等。但是通過一些人為的方法，如高能射線照射，化學(xué)處理等引入缺陷，卻能有意的改變石墨烯的本征性能，從而制備出不同性能要求的石墨烯器件。2.石墨烯的性質(zhì)2.1 力學(xué)特性在石墨烯二維平面內(nèi),每一個碳原子都以鍵同相鄰的三個碳原子相連,相鄰兩個鍵之間的夾角120°，鍵長約為0.142nm,這些C-C鍵使石墨烯具有良

6、好的結(jié)構(gòu)剛性，石墨烯是世界上已知的最牢固的材料,其本征（斷裂）強度可達130GPa,是鋼的 100多倍,楊氏（拉伸）模量為1100GPa。如此高強輕質(zhì)的薄膜材料,有望用于航空航天等眾多領(lǐng)域。2.2 電學(xué)特性石墨烯的每個晶格內(nèi)有三個鍵，所有碳原子的p軌道均與sp²雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個離域鍵，其貫穿整個石墨烯。電子在平面內(nèi)可以自由移動,使石墨烯具有良好的導(dǎo)電性石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)使其具有室溫半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，雙極性電場效應(yīng)，超導(dǎo)電性，高載流子率等優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，其載流子率在室溫下可達到 1.5×104 cm².V-1.S-1。導(dǎo)帶價帶禁帶電子能量導(dǎo)帶價

7、帶重疊電子能量導(dǎo)帶價帶禁帶電子能量 圖2.1 絕緣體，導(dǎo)體，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)圖2.2 石墨烯能帶結(jié)構(gòu)2.2.1石墨烯能帶結(jié)構(gòu)當絕對零度下，半導(dǎo)體的價帶是滿帶（完全被電子占據(jù)）。當受光電或熱激發(fā)后價帶中的部分電子（石墨烯的電子運動速度高達106m/s，是光速的1/300）越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位，成為空穴。導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴合稱為電子-空穴對，則電子，空穴能自由移動成為自由載流子。它們在外電場作用下產(chǎn)生定向運動形成宏觀電流，分別成為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。石墨烯的每一單位晶格有2 個碳原子,導(dǎo)致其在每個布里淵區(qū)有兩個等價錐

8、形相交點(K和K)點，再相交點附近其能量于波矢量成線性關(guān)系 E=UFK=UFKx2+Ky2 （2.1）E：能量，：約化普朗克常數(shù)，UF：費米速度，1*106m/s，Kx，Ky分別是波矢量再X-和Y-軸的分量。因此，使得石墨烯中的電子和空穴的有效質(zhì)量均為零，所有電子，空穴被稱為狄拉克費米子。相交點為狄拉克點，在其附近能量為零，古石墨烯的帶隙（禁帶）為零。石墨烯獨特的載流子特性和無質(zhì)量的狄拉克費米子屬性使其能夠在室溫下觀測到霍爾效應(yīng)和異常的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（當電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面會出現(xiàn)電勢差）。表明了其獨特的載流子特性和優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)。石墨烯的室溫載

9、流子遷移率實測值達15000cm²/V·s(電子密度1013cm²)。2.2.2石墨烯高遷移率的原因散射機制在一定溫度下,即使沒有外加電場,半導(dǎo)體中的大量載流子也在永不停息的作著無規(guī)則的、雜亂無章的熱運動。載流子在運動時,便會不斷的與熱振動著的晶格或半導(dǎo)體中電離子的雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞,使載流子速度的大小及方向發(fā)生改變。也就是說載流子在運動中受到了散射。當有外電場作用時,一方面,載流子在電場力的作用下作定向運動;另一方面,載流子仍不斷的遭到散射,使其運動方向不斷的改變。載流子就是在外力和散射的雙重影響下,以一定的平均速度沿力的方向漂移。眾所周知,在具有嚴格周期勢場的晶

10、體中,載流子不會遭到散射。載流子遭到散射的根本原因就是這種周期勢場被破壞。在實際的晶體中,除了存在周期勢場外還存在一個附加勢場,從而使周期勢場發(fā)生變化。由于附加勢場的作用,就會使能帶中的載流子發(fā)生在不同狀態(tài)間的躍遷。例如,原來處于狀態(tài)的載流子遭到散射后以一定的幾率躍遷到各種其他的狀態(tài)。晶體電子可看成是處于晶體原子所構(gòu)成的晶格周期性勢場之中的微觀粒子，此勢場的形式就決定了晶體電子的能量狀態(tài)能帶。此即意味著晶體電子的狀態(tài)（用電子波的波矢k表征）由晶格周期性勢場決定，即規(guī)則排列的晶體原子，就決定著由許多波矢k表征的晶體電子的狀態(tài)。因為載流子散射就是載流子的動量發(fā)生改變的現(xiàn)象，也就是波矢k（ 晶體動量

11、，大小為波長的倒數(shù)）發(fā)生改變的現(xiàn)象；而規(guī)則排列的原子構(gòu)成的晶格周期性勢場只是決定晶體電子的穩(wěn)定狀態(tài)，而不會引起狀態(tài)的變化。故可以說，在完整的晶格周期性勢場中運動的電子不會遭受散射。因此，規(guī)則排列的晶體原子不會散射載流子。規(guī)則排列的晶體原子不散射載流子的情況，也可以用電子波在晶體中的傳播概念來理解。因為電子在晶體中的運動，實際上就是電子波在晶體中的傳播；而規(guī)則原子構(gòu)成的許多晶面都可以反射電子波，而各個反射波之間干涉的結(jié)果，除了某一定波長的電子波因滿足Bragg反射最大的條件、而不能傳播以外，其余的電子波都可以在晶格中很好地傳播，從而相應(yīng)的這些電子并不遭受散射。而在晶體中不能傳播的電子波的波矢，正

12、好是Brillouin區(qū)邊緣的那種波矢（狀態(tài)），即這種狀態(tài)是不存在的。在能量上，Brillouin區(qū)邊緣就對應(yīng)于禁帶；Brillouin區(qū)內(nèi)部的波矢所對應(yīng)的就是容許帶（能帶）。因此，處于能帶中的晶體電子，不會受到晶格的反射，即不會受到晶體原子的散射?？傊?guī)則排列的晶體原子、亦即相應(yīng)的晶格周期性勢場不會散射載流子?？梢韵胍?，不是規(guī)則排列的晶體原子、亦即不是完整的晶格周期性勢場就必將散射載流子。換句話說，在完整晶格周期性勢場之上的任何附加勢場，對于晶體中的載流子都將要產(chǎn)生散射作用。所以，電子在石墨烯中傳輸時不易發(fā)生散射，表明石墨烯的主要散射機制是缺陷散射。可以提高石墨烯的完整性來增加其遷移率。2

13、.3光學(xué)特性單層石墨烯的透過率可從菲涅耳公式用于通用光傳導(dǎo)的薄膜材料中得到 G0=e24h6.08*10-5-1 （2.2） 1（1+0.5 ）²1-97.7% （2.3）其中，=e20hc=G00c1137，e是光子的電荷、C為光速, 為精細結(jié)構(gòu)常數(shù)?？梢妴螌邮獾奈章蔬_到了 2.3%,對于多層石墨煉片,可以看做單層石墨烯的簡單疊加,每一層的吸收是恒定不變的,隨著層數(shù)的增加,吸收也線性增長。多層石墨烯的透過率為:T=（1-abs）²。其中abs =2.3%為單層石墨稀的非飽和吸收效率,n為石墨稀的層數(shù)。根據(jù)上式得出的多層石墨烯對光的吸收率和層數(shù)的關(guān)系,隨著層數(shù)的增

14、加,石墨烯對光的吸收率也變大,10層時吸收率達到0.207。吸收波長取決于能帶間隙，即禁帶寬度。因為石墨烯為零帶隙結(jié)構(gòu)，理論上對任何波長都有吸收作用，另外，當入射光的強度超過某一臨界值時，石墨烯對其的吸收會達到飽和，這一非線性光學(xué)行為稱為可飽和吸收。2.3.1可飽和吸收原理當強光照射到石墨稀上時,石墨稀的吸收不再是線性的,而是非線性的依賴于光強,這個效應(yīng)稱為可飽和吸收。初始時（圖2.3 a）在光子的入射下,價帶上的電子將吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶。這些電子經(jīng)熱化和冷卻后形成熱費米-狄拉克分布。遵循泡利不相容原理，占據(jù)導(dǎo)帶上最低的能量狀態(tài)，熱載流子能量降到平衡態(tài)，價帶的電子也重新分布到低能量狀態(tài)，

15、能量高的狀態(tài)唄空穴占據(jù)這個過程同事伴隨著電子-空穴復(fù)合和聲子散射（圖2.3b）。對于c，當光的強度降低時，吸收系數(shù)與載流子的寬度呈遞減關(guān)系。若光的強度足夠大，電子被源源不斷激勵到導(dǎo)帶，光生載流子將整個導(dǎo)帶-價帶填滿,阻礙光的進一步吸收,對光表現(xiàn)為透明,帶間躍遷被阻斷此時石墨稀被飽和，光子無損耗通過?？娠柡臀仗匦詺w因于兩個主要原因，首先，石墨烯強烈的與波長無關(guān)的線性吸收（2.3%）提供了吸收飽和調(diào)制深度的潛能。這種大的線性吸收來源于石墨烯的獨特的性能，包括石墨烯是二維無質(zhì)量費米子和圓錐形的能帶結(jié)構(gòu)。第二，石墨烯的激發(fā)態(tài)吸收的是動量禁止的，因此需要聲子的輔助。激發(fā)態(tài)電子唯一的光子耦合過程過受激發(fā)

16、射實現(xiàn)的。圖2.1（a）電子有價帶躍遷到導(dǎo)帶，（b）費米狄拉克分布形成，（c）高強度入射光下光生載流子引起飽和，阻止進一步吸收。泡利不相容原理（Paulis exclusion principle）又稱泡利原理，在費米（電子）子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個或兩個以上的粒子處于完全相同的狀態(tài)。在原子中完全確定一個電子的狀態(tài)需要四個量子數(shù)，所以泡利不相容原理在原子中就表現(xiàn)為：不能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個量子數(shù)，這成為電子在核外排布形成周期性從而解釋元素周期表的準則之一。調(diào)制深度，是材料完全飽和時的反射率的最大變化，一般由可飽和的吸收體的材料和厚度決定。石墨煉的調(diào)制深度隨著其層數(shù)的改變而

17、改變,這種簡單的方法降低了制備難度和成本。單層石墨稀調(diào)制深度達66.5%，調(diào)制深度與石墨稀層數(shù)成反比關(guān)系,可以通過控制其層數(shù)來調(diào)節(jié)調(diào)制深度。但是層數(shù)的增加也帶來了散射損耗和內(nèi)部缺陷,這些非飽和損耗帶來了調(diào)制深度的降低。因此,需要合理的選擇石墨烯的層數(shù),來優(yōu)化鎖模脈沖的性能。弛豫，一個宏觀平衡系統(tǒng)由于周圍環(huán)境的變化或受到外界的作用而變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，這個系統(tǒng)再由非平衡狀態(tài)過渡到新的平衡態(tài)的過程。實質(zhì)，系統(tǒng)中微觀例子由于相互作用而交換能量最后達到穩(wěn)定分布的過程。當光能量足夠大時,電子的躍遷速率高于帶間馳豫速率,被吸收光子能量對應(yīng)的激發(fā)態(tài)之下的能態(tài)全部被填滿,同時價帶頂也被價帶上的空穴填滿,對光吸收達

18、到飽和。石墨稀可飽和吸收過程中,帶間躍遷馳豫時間在0.4-1.7ps范圍內(nèi), 可起到啟動鎖模作用；帶內(nèi)載流子散射和復(fù)合馳豫時間在70-120fs范圍內(nèi),可以有效壓縮脈沖,穩(wěn)定鎖模,產(chǎn)生飛秒脈沖。脈沖通常是指電子技術(shù)中經(jīng)常運用的一種象脈搏似的短暫起伏的電沖擊(電壓或電流)。主要特性有波形、幅度、寬度和重復(fù)頻率。脈沖是相對于連續(xù)信號在整個信號周期內(nèi)短時間發(fā)生的信號，大部分信號周期內(nèi)沒有信號。就像人的脈搏一樣。現(xiàn)在一般指數(shù)字信號，它已經(jīng)是一個周期內(nèi)有一半時間有信號。計算機內(nèi)的信號就是脈沖信號，又叫數(shù)字信號。此外，脈沖也用來表示思想感情上的沖動和要求。鎖模鎖模是光學(xué)里一種用于產(chǎn)生極短時間激光脈沖的技術(shù)

19、，脈沖的長度通常在皮秒（10負十二次方秒）甚至飛秒（10負十五次方秒）。該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是在激光共振腔中的不同模式間引入固定的相位關(guān)系，這樣產(chǎn)生的激光被稱為鎖相激光或鎖模激光。這些模式之間的干涉會使激光產(chǎn)生一系列的脈沖。根據(jù)激光的性質(zhì)，這些脈沖可能會有極短的持續(xù)時間，甚至可以達到飛秒的量級。在自由運轉(zhuǎn)的激光器中縱模與橫模同時震蕩，模式之間無固定相位關(guān)系，無規(guī)則的相位關(guān)系干涉了諧振腔的縱模，造成了很強的擾動，如果諧振腔內(nèi)有合適的非線性器件，或者從外部驅(qū)動光調(diào)制器，這些無規(guī)則的擾動就可能裝換成循環(huán)在諧振腔中相位規(guī)則且功率很大的單脈沖。第一種情況下，因為輻射本身與被動非線性器件共同產(chǎn)生周期性調(diào)制，導(dǎo)

20、致軸向模有固定的相位關(guān)系，所以稱為被動鎖模。第二種情況下，因為給調(diào)制器施加的射頻信號提供了相位或頻率調(diào)制而導(dǎo)致鎖模，所以稱為主動鎖模。自鎖模又稱克爾透鏡鎖模(Kerr Lens ModeLocking(KLML)，是利用激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)對振蕩光束進行強度調(diào)制、相位鎖定，來實現(xiàn)鎖模的，它不需要外加主動或被動調(diào)制的組件。由于晶體的克爾效應(yīng)引起光學(xué)自聚焦作用，晶體的折射率隨光強的變化而發(fā)生變化，晶體中的光束為高斯分布時，使晶體折射率由中心至邊緣逐漸降低，形成自聚焦現(xiàn)象，晶體類似一個凸透鏡，即克爾透鏡。如果在諧振腔中隨著強度增大而模尺寸減小的位置插入一個直徑很小的光闌，就能獲得可飽和吸收體的作

21、用。鎖模具有脈寬窄、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。但是自鎖模激光器存在問題：一是不能自啟動，只有得到外加的干擾信號才能實現(xiàn)鎖模，這樣不利于激光器的正常運行，因此這就使它對任一外界的擾動等非常靈敏，；二是泵浦源要求腔內(nèi)功率密度足夠高，過度的自調(diào)制將引起鎖模的不穩(wěn)定，嚴重影響了固體自鎖模激光器的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)和廣泛應(yīng)用。近年來，為了追求結(jié)構(gòu)更加簡單的鎖模激光器，研究的焦點主要集中在和可飽和吸收體鎖模技術(shù)上。鎖模理論:在一個簡單的激光器中，這些模式都是獨立的振蕩的，因此模式之間沒有固定地關(guān)系，就好像一組彼此獨立、頻率稍有不同的激光從激光器中同時射出一樣。每一束光的相位都沒有固定，而且相位可能因為各種原因產(chǎn)生隨機的變化，

22、例如激光器的工作材料的溫度變化等等。在只有很少的幾個振蕩模式的激光器中，模式之間的干涉會產(chǎn)生激光輸出的拍頻現(xiàn)象，這會引起激光強度的隨機波動。而在具有成千上萬個模式的激光器，這些干涉現(xiàn)象會平均起來產(chǎn)生近似常數(shù)的輸出強度，這種激光的工作方式被稱為連續(xù)波。如果不允許模式獨立振蕩，而是要求每個模式與其他模式之間保持固定的相位，激光輸出就會有很大的不同特點。這時的輸出強度不再是隨機性的變化或者近似為常數(shù)，而是由于不同模式的激光周期性的建立起相生干涉，導(dǎo)致產(chǎn)生脈沖激光。這樣的激光器被稱為鎖模或者鎖相。這些激光脈沖的時間間隔為 = 2L/c，其中是激光往返共振腔所需的時間。這個時間對應(yīng)的激光器模式

23、之間的頻率間隔，也就是 = 1/。脈沖的持續(xù)時間由同相振蕩的激光的縱模數(shù)量決定。在現(xiàn)實的激光器中，并不是所有的激光縱模都會被鎖相。如果相位鎖定的模式數(shù)量為N，頻率間隔為，那么總的鎖模激光帶寬為N，帶寬越寬，激光發(fā)出的脈沖持續(xù)時間越短。在現(xiàn)實中，實際的脈沖持續(xù)時間還受到脈沖波形的影響，這個波形是由每個縱模的振幅與相位之間的關(guān)系決定的。例如，對于一個產(chǎn)生的脈沖時域波形為高斯形狀的機況起來說，其最短的脈沖持續(xù)時間t為t=0.44/(N*)其中的常數(shù)0.44被稱為脈沖的時間帶寬積，是一個與脈沖形狀有關(guān)的常數(shù)。對于超短時間激光脈沖，其脈沖形狀通常認為是雙曲正割平方，此時的時間帶寬積為0.315

24、.通過這個等式，我們可以根據(jù)激光的頻譜寬度計算出最短的脈沖持續(xù)時間。對于氦氖激光器，其頻譜帶寬為1.5吉赫，而它在這個帶寬下所能產(chǎn)生的最短高斯形狀脈沖大約是300皮秒，而對于鈦摻雜藍寶石固體激光器，它的帶寬對應(yīng)的脈沖持續(xù)時間將僅有3飛秒。這些數(shù)值表示的根據(jù)激光的帶寬理論上所能產(chǎn)生的最短持續(xù)時間，而在實際的鎖模激光中，脈沖持續(xù)時間還受到其它各種因素的影響，如真實的脈沖形狀、激光腔的色散等等。需要注意的是，從理論上說，隨后的調(diào)制會進一步縮短脈沖的持續(xù)時間，然而頻譜的寬度將會相應(yīng)的增加。2.4熱學(xué)特性研究發(fā)現(xiàn),石墨烯的熱導(dǎo)率可達 5000 W/m·K,是金剛石的 3倍。石墨烯同樣是一種優(yōu)良

25、的熱導(dǎo)體。因為在未摻雜石墨中載流子密度較低，因此石墨烯的傳熱主要是靠聲子的傳遞，而電子運動對石墨烯的導(dǎo)熱可以忽略不計。2.5磁性特性由于石墨烯邊緣及缺陷處有孤對電子，使石墨烯具有鐵磁性等磁性能。2石墨烯應(yīng)用2.1傳感器石墨烯的二維結(jié)構(gòu)（二維結(jié)構(gòu)是指原子或離子集團中的原子或離子具有在空間沿二維方向的正、反向延伸作有規(guī)律排布的結(jié)構(gòu)）使得它在層狀材料中的比表面積最大，表面部位與體相間無區(qū)別，這對高明敏感性必不可少，這種材料已成為其它納米材料傳感器實施背后的主要推動力。超高比表面與奇異電子性質(zhì)的結(jié)合意味著石墨烯上任何分子的破壞都容易檢測到，石墨烯導(dǎo)向的傳感器檢測表面上下的單個分子很敏感。二維石墨烯的獲

26、得使設(shè)計和制備石墨烯導(dǎo)向的電極并使其運用在電化學(xué)傳感器和生物傳感器中成為可能。2.2電化學(xué)催化石墨烯基材料的電催化作用來自兩個不同途徑。一方面，石墨烯或其衍生物自身有極好的催化性質(zhì)。石墨烯顯著的快速電子傳遞功能和活潑的電催化作用主要是由于出現(xiàn)在垂直石墨烯納米片最后的類似于熱解石墨邊緣平面的邊緣面/缺陷。另一方面，在石墨烯上沉積無機金屬，尤其是貴金屬納米顆粒，形成石墨烯衍生物，由于貴金屬納米顆粒有著極好的催化活性，因此形成的石墨烯衍生物呈現(xiàn)出新的電催化性質(zhì)。2.3電化學(xué)發(fā)光電化學(xué)發(fā)光是一種通過電化學(xué)激發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光的現(xiàn)象。電化學(xué)發(fā)光傳感器中石墨烯的超高導(dǎo)電性質(zhì)能有效地促進電子轉(zhuǎn)移。當石墨烯進

27、入傳感器平臺，它可以充當發(fā)光團和電極之間的通路。而且，石墨烯的引入可以提高平臺的表面積和孔隙率，這可以使共反應(yīng)物擴散得更快。2.4能量存儲裝置石墨烯和石墨烯基材料導(dǎo)電性好、比表面積高、透明度高、電位窗口寬，因此，它們成為能量轉(zhuǎn)換裝置中一種極有前途的電極材料。石墨烯基材料電極的優(yōu)點已在與能量相關(guān)的電化學(xué)裝置的應(yīng)用中得到證明，如鋰電池（LIBs）、太陽能電池、超級電容器等。2.5場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor FET是利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件）在大規(guī)模、靈活、低成本電子學(xué)中有潛在的應(yīng)用，因而在過去的數(shù)十年中已引起研究者們的注意。場效應(yīng)晶體管靠電場效應(yīng)運作，這種電場效應(yīng)是一種類型的電荷載流子（電子或空穴）通過單一類型的半導(dǎo)體金屬（例，一個“導(dǎo)電通道”）從源頭到通道的流動產(chǎn)生。石墨烯本質(zhì)上是半金屬或零帶隙半導(dǎo)體、具有很高的載流子遷移率, 電子在石墨烯中的傳導(dǎo)速度比硅快很多, 而且不受溫度的影響，這些優(yōu)異的結(jié)構(gòu)、電子和物理性質(zhì)實現(xiàn)了石墨烯