分子电子学中的碳基材料毕业正文.doc

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1、济南大学毕业论文毕业论文题 目 分子电子学中的碳基材料 学 院 物理科学与技术学院 专 业 物理学 班 级 0901 学 生 赵小明 学 号 20090922155 指导教师 赵 朋 二一三 年 五 月 十二 日19摘 要 伴随着日益复杂的电子技术产品的发展，过去自上而下都依赖的硅基技术正面临着技术方面和物理方面的双层挑战。在采用自下向上的方法建设电子电路时，碳基纳米材料是非常好的候选材料，因为它们有半导体的特性并且物理尺寸很小，可以用于建立电子连接。例如有独特的电子性质的富勒烯，已经允许在建设分子整流器和晶体三极管时，可以以多种状态存在。碳纳米管在建设分子电路和场效应晶体管方面具有很大的潜力

2、。另一方面，石墨烯不仅是代替 ITO组成透明电极的最有前景的材料，同时它也展现了它的量子霍尔效应和电导特性。本论文主要体现了碳纳米材料在分子电子学中最近的发展状况。关键词：碳纳米材料；分子电导；分子电子学；单分子电子器件ABSTRACT As the growing complexity of electronic devices, the top-down method used with silicon based technology is facing both technological and physical challenges. Carbon-based nanomateri

3、als are good candidates to be used in the development of electronic circuitry using the bottom-up approach, because they have semiconductor properties and dimensions within the required physical limit to construct electrical connections. For example, the unique electronic properties of fullerenes ha

4、ve made the construction of molecular rectifiers and molecular transistors that can work with more than two logical states. Carbon nanotubes have shown their values to be used in the construction of molecular wires and FET transistors that can operate in the THz frequency bias range. On the other ha

5、nd, graphene is not only the most promising material for replacing ITO in the construction of transparent electrodes but it has also shown quantum Hall effect and quantum conductance properties that depend upon the edges or chemical doping. The purpose of this work is to present recent developments

6、on the utilization carbon nanomaterials in molecular electronics.Keywords：Carbon nanomaterials； Molecular conductance； Molecular electronics； Unimolecular electronic devices目 录摘要IABSTRACT II1 前言1 1.1碳纳米材料的类型和形状.22 富勒烯.3 2.1富勒烯的制备.3 2.2 富勒烯的氧化还原性能.4 2.3 单个富勒烯分子的电子输运性质.5 2.4 富勒烯单分子器件.6 2.4.1 分子导线和供体-受

7、体系统.6 2.4.2 分子整流管.8 2.4.3 晶体管.8 2.5 总结与未来的方向.93 碳纳米管.10 3.1 碳纳米管的制备和提纯.10 3.2 碳纳米管的电化学性质.10 3.3 碳纳米管的电荷传输性质.11 3.4 碳纳米管器件.11 3.4.1 碳纳米管作为连接体.11 3.4.2 碳纳米管晶体管.12 3.5 集成电路与未来的方向.124 石墨烯.13 4.1 简介.13 4.2 性质.13 4.2.1 单分子和双分子层石墨烯.13 4.2.2 多分子层石墨烯.14 4.3 有机光电子的应用.14 4.4 总结和未来的方向.15结论.16参考文献.17致谢.19附录.20 1

8、 前 言伴随着日益复杂的电子技术产品的发展，过去自上而下都依赖的硅基技术正面临着技术方面和物理方面的双层挑战1-2。相比之下，用小分子采用自下而上的方法构造电路正变得越来越受关注。分子所以被用作电子设备的理想候选材料，是因为它们可以用人们熟知并且简单的方法来制备合成。在2003年，TAO和他的合作者采用扫描隧道显微镜的方法（STM），测出了多种有机分子的电导3。电导的直方图显示出来的峰值是量子电导G0（=2e2/h =77 S）的1/100的整数倍,这取决于电极之间分子形成稳定连结的数目（见图1.1）。图1.1（a，b）单分子电导实验示意图；（c，d）相应的实验结果 2005年，同一研究小组报

9、道了将一个有机分子作为一个分子晶体管的方法，并且通过分子的电流可以由栅极电压（Vg）进行控制4。随着电压的减小，电流增加，当电压减小为-0.65V时，电流会发生大幅度的增加。对照试验表明电流对栅极电压没有依赖关系，进一步证明了晶体管的一些性质。碳基纳米材料是建设分子集成电路很好的候选材料，因为它们具有半导体的性质，并且物理尺寸很小5。许多研究人员已经测量出单个分子的电导系数，并了解了它们内在的化学性质。例如，Venkataraman在2006年，证明了随着苯基团中分子之间转动角度的增加，联苯化合物的电导系数会减小6。1.1 碳纳米材料的类型和形状随着富勒烯7的发现，碳纳米材料的家族一直不断的在

10、壮大（见图1.2），富勒烯的发现紧随其后的是多壁(MWCNTs)和单壁的碳纳米管(SWCNTs)。通过电阻蒸发石墨时，在炭黑中发现了“洋葱”结构的同心多壳层富勒烯，通过对纳米金刚石高温淬火8，或者是水下电弧放电9，有机溶剂10，液氮11等方法，它们还能形成无定形碳和碳纳米管。其它突出的纳米结构，如奈米角型碳管(CNHs)，是在室温下将二氧化碳通过激光消融的碳在没有金属催化剂的条件下形成的。通过质谱分析法发现富勒烯之后，内嵌金属富勒烯接着被发现，它们的内嵌性质几年后就被确认。原子团簇也被定义在在富勒烯的范围之内，也许这个集团中最重要的家族要属三金属氮化物内嵌金属富勒烯(TNT-EMFs)。而且金

11、属氧化物、金属碳化物、金属硫化物也能内嵌到富勒烯碳笼中。图1.2碳纳米材料代表性的例子。空笼富勒烯（a）C60 ；（b） C70；内嵌富勒烯 （c）La2Ih-C80；（d）Lu3NIh-C80；（e）石墨烯片；（f）锯齿状的单壁碳纳米管；（g）扶手椅状的单壁碳纳米管；（h）对称性的固碳纳米管；（i）奈纳米角碳管（j）嵌套碳笼2 富勒烯2.1 富勒烯制备富勒烯是在用激光诱导石墨蒸发的时候首次被发现的，然而，第一次制备富勒烯却是用电弧放电蒸发石墨实现的12-15，如图2.1所示。 图2.1电弧放电反应器制备富勒烯 它是由真空出口管、电机、电源、气体出口、等离子体、石墨棒含有的金属氧化物正极、石墨

12、负极、水出口等部分组成。现在，碳氢化合物是制备空笼富勒烯的最好的原料。位于日本的世界上最大的富勒烯制造厂也使用这种原料。这种火焰是由燃烧碳氢化合物的一部分形成的；因此，它的反应温度取决于碳氢化合物和氧气的比例，通常低于2000K。这种方法的主要优点是，它是一个连续的过程并且整体能耗低。然而，由于火焰的产生也限制了该方法的适用范围；因此，在实验室制备富勒烯时电弧放电的方法是优先考虑使用的。电极之间间隙的距离，不仅影响等离子体的电气特性，同时也影响辐射水平和等离子体与周围环境的热交换。其它参数，如金属添加，等离子气体和温度都相对独立和容易调节的，因此用多个相同的电弧放电反应器来制备大量的碳纳米材料

13、变成了现实。粉末状的金属或金属氧化物可以填充在石墨棒中，从而导致内嵌金属富勒烯的形成。同时，如果在电弧放电时控制反应气体，不同的团簇还可以合并内嵌到富勒烯碳笼中。盐类或有机分子可以用作包装材料，多元化的产品能够从电弧放电过程中直接获得。2.2 富勒烯的氧化还原性能早期的理论计算建立在C60有一个低能级的LUMO轨道，并且是三重简并，因此能够接受6个以上电子的减少16。在电化学实验中，甲苯与乙腈的比例为5：1，并且溶剂混合物的温度为-10时，C60的电化学性质才可能检测出来（见图2.2）。图2.2 (a)C60富勒烯的电化学性能，循环伏安法（上）和差分脉冲电化学伏安法（下）；（b) 富勒烯吸收6

14、个电子（红色箭头）后的HOMO和LUMO轨道示意图对于C70，可以预测它的LUMO轨道是二重简并，因此可以吸收四个电子，LUMO和LUMO+1轨道的能量差是很小的。对于C60，可以观察到六个可逆的还原过程。在氧化扫描过程中，使用1,1,2,2-四氯乙烷作为溶剂，观察到一个氧化可逆过程的是C60，两个氧化过程的是C70，通过计算第一次能量下降和第一次氧化过程发生时的能差，可以得出C60和C70的HOMOLUMO能隙分别为2.32 eV 和2.22 eV，这些发现体现了C60和C70丰富的氧化还原性。更大的空笼富勒烯的氧化还原性同样丰富，用于区分不同的同分异构体，它已经成为一个重要的技术方法。对于

15、TNT-EMFs的电化学性质，M3N C2n（n39）不同于空笼富勒烯，这是碳笼的结构不同和金属团簇与碳笼之间的相互作用导致的（见图2.3）。因此，还原过程是化学可逆，电化学不可逆的。由于HOMO轨道主要位于三金属氮化物团簇中，氧化过程发生在低电位，HOMOLUMO能隙的很小的。内嵌金属富勒烯MC2n显示出类似的性质，它的HOMOLUMO能隙更小。图2.3 (a)C60 (上) 和Sc3NIh-C80（下）的循环伏安曲线；（b)C60和Sc3NIh-C80的HOMO-LUMO原理能量图。2.3 单个富勒烯分子的电子输运性质为了更好的了解单个富勒烯分子的电子传输性质, 从而探索设备应用的可能性，

16、研究单个的富勒烯分子连接到两极的电流电压特征是非常重要的。实验上采用STM的方法研究电荷通过单个C60分子的传输。C60分子的研究有两种不同的方法。第一种方法，C60分子沉积在金属表面，一个分子与STM针尖接触，这样就产生了一个栅栏隧道结。C60富勒烯具有2 V以上的能隙，因此，它在室温下是绝缘体，但它有一个低能量的LUMO能级，所以，当C60分子与金属电极接触，可以发生电荷转移并且电导可以通过LUMO轨道确定 。其它理论研究已经预测，通过内嵌富勒烯的电荷传输，不同于依赖封装原子性质的空笼富勒烯，因为电荷传输的主要渠道可能是富勒烯碳笼或封装原子。这些差异可以用的在未来的纳米器件，用于控制电流。

17、 在第二个实验方法中，C60分子沉积在一个绝缘的自组装单层上面，这样就产生了一对串联的栅栏隧道结，并且共用一个电极。2.4 富勒烯单分子器件2.4.1 分子导线和供体-受体系统富勒烯独特的性质，在建设照片感应电荷传输系统时，它们是用作电子受体很好的候选材料，这要由于它们的低能量和三重简并的LUMO轨道，可以很容易的吸收电子17。另一个重要的属性是，它们在重组后减少的能量非常少，因为其刚性球面的几何结构和电子离域贯穿于整个分子。根据Marcus的电子转移理论，低能量的重组有利于电荷分离，并且能延缓电荷重组，从而使电荷长时间处于分离状态。因此，许多的富勒烯和富勒烯衍生物已经研究用作电子受体材料（见

18、图2.4）。图2.4 富勒烯分子衍生物连接供体和受体的桥在许多关键方面起着至关重要的作用。例如，它们可以在电荷转移过程中消除扩散。桥的化学性质和长度比供受体的分离、定位、重叠和拓扑更加重要。有三种不同的情况，第一种是供体和受体部分由一个绝缘桥连接（见图2.5 a）。绝缘桥能阻止干扰重组和电荷传输，所以具有优越性，而导体桥可能由于本身的化学性质影响电导或电荷传输。结构不同的分子的氧化还原过程中，几个短距离的电荷分离过程可以代替一个长距离的电荷传输（见图2.5 b） 最后一种情况，采用高度共轭的分子作为分子导线来连接供体和受体（见图2.5 c）。 在这种情况下，电荷分离过程主要是由供受体与连接轨道

19、之间的重叠程度控制。在这样的系统中，电荷分离通常发生在LUMO轨道中，并且依赖于LUMO轨道的能级水平。相反，电荷重组通常发生在HOMO轨道中。图2.5 供体和受体的桥式连结。(a)绝缘桥；(b)氧化还原梯度桥；(c)高度共轭桥2.4.2 整流器通过分子整流能产生三种不同的现象。第一种，由于肖特基势垒，可以在有机金属界面形成表面偶极子。第二种发生在LUMO轨道，它在传导过程中首先被存储，放在两个金属电极和第三个电极中间，电子转移发生在分子内的HOMO和LUMO轨道之间。最后一种是真正的分子整流，最初由Aviram 和Ratner提出。对N掺杂和P掺杂富勒烯的理论研究表明，这些材料可被用于制备一

20、种经典的N-P结，也就是二极管。二甲基苯胺基 - 氮杂-C60富勒烯有两种不同的整流表现，将它放在两个镀金电极之间，用LB超薄分子膜技术可以观察到。在低电位，可使分子整流比率为2。但是，如果在较高的电位，1.5V时整流比率可以达到20000。2.4.3 晶体管 生成C60的第一个设备可以认为是一个晶体管，因为它用机电放大器来实现电压放大，一个单一的C60加上STM指针，连接到压电传动装置18（见图2.6）。输入电压施加到压电传动装置，阻止C60分子在铜的表面形成沉积，从而改变了约两个数量级的电导特性，对应约0.2 nm的变形。该设备可以承受高达几微安的电流，更重要的是，结果证明了对单分子C60

21、晶体管进行构造和建设的可行性（见图2.7）。 图2.6（a)单分子C60机电放大器原理图 ；(b)机电放大原理图表示的开关状态图2.7（a）机电单分子晶体管原理图 （b）C60放大器平面图单分子C60晶体管也能通过沉积制造C60甲苯溶液，甚至可以稀释一对黄金电极。整个结构建立在一个绝缘的二氧化硅层的掺杂硅晶片上，用栅电极调节C60分子的静电势。得到的电流电压图解释了在频率为1.2THZ时，C60分子通过纳米机械振荡，阻止它的金电极表面形成沉积。2.5 总结与未来的方向富勒烯分子显示了它们在构建纳米级电子器件方面的巨大潜力，因为它们有容易吸收电子的LUMO轨道，它们的球形结构可以很好地实现自组装

22、过程。与其它的碳纳米材料相比，富勒烯具有明确的结构，并可以利用完善的化学方法进行高纯度的分离。随着富勒烯家族中新成员的发现和多样性的增加，新的特性也逐渐呈现。 3 碳纳米管采用电弧放电技术制备富勒烯，在阴极沉积形成过程中，多壁碳纳米管被发现。单壁碳纳米管的形成发生在有金属催化剂存在的电弧放电过程中。由于它们的发现和独特的性质，很多应用已经建议采用碳纳米管。例如它们的拉伸强度，远远高于钢。此外，它们的电子特性更有吸引力。单壁碳纳米管就像是石墨烯片卷起形成的管状物。由于石墨烯片具有碳原子的蜂窝结构，不同的石墨烯片能卷起不同的结构。但是，形成的每一种碳纳米管，都可以用Hamada的命名来区别19。在

23、它的命名系统中，将一个正六边形的中心选为原点（0，0），与另一个六边形的中心（M，N）叠加，形成碳纳米管。有三种类型的碳纳米管。如果石墨烯片沿着中心轴线卷起，就会产生扶手椅形碳纳米管（m=n）或者是锯齿形碳纳米管（m=0）。如果石墨烯片沿其它的方向（m，n）卷起，就会产生手性对称的碳纳米管，手性取决于石墨烯片向上或向下卷起的方向。3.1 碳纳米管的制备和提纯用掺杂金属催化剂的石墨棒通过电弧放电来制备单壁碳纳米管发现之后，为了研究出生产大量碳纳米材料的其它的方法，人们付出了很大的努力。主要有以下三种方法：电弧放电法，激光消融法和化学气相沉淀法（CVD)。同时，通过火焰制备碳纳米管也越来越受到关注

24、。用电弧放电制备碳纳米管，用类似的方法也可以制备富勒烯；掺杂的石墨阳极，在压力为500-600毫巴，电流为100-500A的氦气中可以被蒸发掉。碳纳米管只有在金属催化剂存在的条件下才会形成，其中大部分积累在阴极并且形成不断增长的沉淀。金属催化剂的使用多种多样，重量百分含量为1的钇和4.2的镍混合物是产量最高的催化剂20。3.2 碳纳米管的电化学性质了解碳纳米管的电化学性能对于设计电子产品是非常重要的；然而，将碳纳米管作为单独的实体或个体来研究它的电化学性能已经遇到了很多困难。碳纳米管样品的溶解度极低，电解质溶液的离子强度，表面活性剂的干扰和水介质中有限的电化学窗口都阻碍了碳纳米管电化学性能的研

25、究。在水和有机电解质中研究碳纳米管的电化学性能，阴极扫描是显示有持续增加的电流产生，这反映了不同的碳纳米管是以一种复杂混合物的状态存在。第一次在溶液中研究电化学性质是用可溶性的吡咯烷碳纳米管样品。这些衍生物显示出的不可逆的还原性质，取决于这些功能化的碳纳米管在电极表面的分解。理论计算表明，碳纳米管的电化学性能显著影响着它的电子态的能量。3.3 碳纳米管的电荷传输性质单壁碳纳米管导电性能的预测依赖于它的螺旋性和直径。同样，碳纳米管表现金属性还是半导体性也取决于碳纳米管管是如何螺旋卷起的。扶手椅状碳纳米管体现金属性，其它的碳纳米管则体现半导体性。碳纳米管连接点的电导取决于碳纳米管与金属的接触程度。

26、第一次测量碳纳米管的电导是将一个金属纳米管接在Si/SiO2基片顶部的两个铂电极之间，观察到个别金属单壁碳纳米管表现为量子态。将放置在附近的第三个电极作为栅电极，电导在室温下对金属纳米管的栅极电压有较小的依赖性。金属纳米管的电导超过了最知名的金属的电导。多壁碳纳米管的电导是量子化的。半导体纳米管的电导取决于栅电极的电压，它们的带隙是直径和螺旋度的一个函数，半导体纳米管的ON / OFF比，在室温下通常是105，在极低的温度下可以达到107。3.4 碳纳米管器件3.4.1 碳纳米管作为连接体 分子电子器件的构建需要在分子水平进行连接。其中的一个最大的挑战就是将线或电极连接到分子。碳纳米管是一维的

27、弹道电子导体，因此它们在运输电子时基本不需要消耗热量；所以这些性质可以用来建设真正的分子器件。有两种不同的方法可以来削减单壁碳纳米管的厚度，使纳米间隙达到2nm。第一种方法是将偏置电压加到两个电极并连接到碳纳米管，直到发生电子击穿。 图3.4.1：（a）通过电子束光刻定义在一个窗口中的PMMA开口的单壁碳纳米管与氧等离子体，来介绍单壁碳纳米管的切割；（b）单分子电路的整体建设示范示意图。另外一种方法的碳纳米管是自旋图层的，并且覆盖有PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）膜，在膜上的定义一个“窗口”使用超高分辨率的电子束光刻技术；然后，将碳纳米管通过这个“窗口”使用氧等离子体进行蚀刻（见图3.1）。羧基酸

28、组通常产生在碳纳米管被切割的点处。它们很容易被转换成酰卤与胺反应后产生的酰胺键，可以用于连接单壁碳纳米管的共价键和其它分子。理论计算表明，碳纳米管很适合在分子能级和费米能级之间建立良好的连接。碳纳米管同样有潜力应用于原子力显微镜（AFM)，但是目前还没有被广泛的采用。3.4.2 碳纳米晶体管几年以前，半导体单壁碳纳米管场效应晶体管已经能够在室温下进行操作构建，并且在太赫兹范围内的操作是可以预测的。这些早期的器件有p型半导体的性质；这种性质并不是纳米管固有的，基于场效应晶体管的P型碳纳米管，通过真空下退火处理或与碱金属的化学掺杂或其它的还原剂等方法处理，可以变为n型碳纳米管。但是，碱金属掺杂的方

29、法并不完全可靠，制作复杂的电子器件仍然是个很大的挑战。现在这个问题已经可以通过选择合适的电极材料来解决，p型碳纳米管用Pd（钯），n型碳纳米管用Sc（钪）来作为电极，这种方法的缺点在于Sc的价格比黄金的价格还要贵5倍，但Sc是可以用Y（钇）来代替，Y的价格比Sc便宜1000倍，并且可以达到相同的效果。基于场效应管的碳纳米管在很多方面优于当前的场效应晶体管；碳纳米管最重要的一个特性是弹道电子运输，使构造场效应管成为可能，并且能够在很高的频率下进行操作，使它们可以适用于下一代电子器件。单壁碳纳米管晶体管已经证明可以在微波频率下进行操作，并且在太赫兹频率范围内的操作也得到了证明。3.5 集成电路与未

30、来的方向在室温下碳纳米管的基础研究揭示了很多重要的性能，包括它的电子迁移率超过所有已知的半导体和对强电流的承载能力。尽管报道中采用使用单壁碳纳米晶体管对电子电路进行构建和操作，但是使用单个碳纳米晶体管来构建复杂的设备仍需要进一步发展，因为合成和精确定位大量几何均匀的碳纳米管是非常困难的，很多研究小组已经在这个方向取得了很大的进展，未来是很有前景的。合成和操作的基本原理已经很清楚，未来的发展可能要依赖于化学家，取决于他们能否找到一种方法，要么让选择性合成在更高的尺度，要么找到一种净化提纯更有效的方法，或者是两者结合的方法。4 石墨烯4.1 简介石墨，自然界中发现的最常见的碳的一种同素异形体，是由

31、堆叠的蜂窝状的碳六边形二维图层组成。每一个图层就是一个碳原子的厚度。最近报道的关于单层的分离、孤立、合成的产品，就是石墨烯（见图4.1）。它独特的平面形状和化学结构，其它的材料是没有的。在分子电子学领域，石墨烯也有它潜在应用的特性，如高电流密度、量子霍尔效应、高电子迁移率、高光学透明度、化学稳定性和惰性、高机械性能和依赖于它的结构的微分电子行为21-24。 图4.1 原子力显微镜下的石墨烯片4.2 性质石墨烯的很多有趣的性质已经在单层样品上测量得出；但是，为了在更多不同属性的材料上运用这些性质，双层和多层（三至十层）石墨烯也被深入考虑使用，并且由于层数的不同，性质也有很大的不同。4.2.1 单

32、分子和双分子层石墨烯 单分子层石墨烯遇热是不稳定的；正因如此，在发现它的过程中遇到了很多困难。通过STM（扫描隧道显微镜）和TEM（透射电子显微镜）的方法的来分析它的结晶层。但是，它的平面形状并不会干扰它的属性。石墨烯是一种很强大的材料，在物理机械方面的弹性模量可达1TPa，自身的强度是130GPa，还具有很好地导热性能。此外，石墨烯还显示出强大的双极性电场，电荷载流子的栅电压取决于空穴和电子之间的交替。石墨烯的一个重要的特性是它极小的厚度。所以，它的透光率是相当高的，单分子层石墨烯的透光率大于97%，双分子层石墨烯大于95%，（见图4.2）作为一种高度透明的材料，在光电应用中有很大的潜力。研

33、究发现强烈的弯曲或拉伸，并不会影响光电性能。因此，石墨烯是迄今已知的弹性和伸展性最好的透明导体材料。图4.2 单分子和双分子层石墨烯薄片的透光率4.2.2 多分子层石墨烯与单分子和双分子层石墨烯相比，多分子层石墨烯的电子结构中没有带隙。因此，它的性质类似于金属材料。将多层石墨烯复合电极应用于锂离子电池，提高了它的性能。在能源存储方面，如电池和超级电容器的研究已经取得了可喜的成果。4.3 有机光电子的应用在本节中，我们将了解石墨烯在分子电子学的应用，重点关注光电和有机场效应晶体管。为了找到一种合适的材料作为光电应用的电极（例如：有机发光二极管、太阳能电池），需要满足两个主要的要求：（1）透光率大

34、于90%，即光不能被吸收 （2）导电性，即导电性能要好，与厚度无关。然而在今天，这些材料也必须符合新的特性，以改善常用材料的物理机械性能和效率。符合新的特性的材料应该是灵活的、低成本、热稳定、适合大规模生产的。因此，石墨烯是很好的候选材料，为了证明它作为透明电极的实用性，已经做了大量的研究工作。（1）有机发光元件自从Tang在1987年第一次报道了基于有机聚合物的发光设备，这些设备由于成本低和聚合物物理性质容易变化的特点，已经吸引空穴重新结合成大量的聚合物，激发性电子就会以电磁辐射的形式释放能量并且产生。为了使辐射被观察到，其中的一个电极是透明的。使用ITO电极是可能实现的，但是这种材料的几个

35、缺点迫使研究人员寻找其它的替代材料，包括碳纳米管、纳米线和光栅，导电氧化物和金属薄膜。最近，基于石墨烯的研究结果令人大受鼓舞，Peumans和他的合作者表明，石墨烯可以作为透明电极用于发光二极管，相比于常用的ITO（150nm）材料，它能在很大程度上减少薄膜的厚度（7nm）。（2）场效应晶体管的应用基于场效应晶体管的石墨烯，由于其内在的机电性质，引起了研究人员很大的兴趣。它的物理机械性质，使得它适合用于设备制造。石墨烯场效应晶体管器件已经能用标准化的光刻方法来进行制备，这种方法同样也适用于其它的纳米材料。这些设备的载流子迁移率可以在悬浮石墨烯和顶部的栅极设备进行测量。研究表明栅电极在很大程度上

36、影响着石墨烯片上的载流子迁移率。非优化的栅极设备的载流子迁移率已经超过了硅基场效应管。基于它零间隙的电子结构，大的石墨烯片不适合场效应晶体管的应用。因此，使用“宏观”石墨烯无法实现电流调制。为了得到有带隙的石墨烯，石墨烯纳米带已经被考虑使用。基于边缘的类型和宽度，可以计算预测半导体的半金属性质。使用单层和双层石墨烯，来构造双栅极场效应晶体管的技术，应经取得了显著地成果。4.4 总结和未来的方向2004年以来25，石墨烯的研究已经从大量的理论和原理的领域，转变为实验研究领域。它的电、磁、机械物理和化学性质，被认为是研究分子电子和光电应用的最有前途的材料，可能替代目前使用的基于硅和金属氧化物的器件

37、。所以，为了更好的掌握它的属性，深入探究它的性能，构建特殊新颖的结构，以及实现大规模，大小和层数都能控制的石墨烯的合成，进一步深入的研究是必然的。结 论 总而言之，碳纳米管在建设分子电路和场效应晶体管方面具有很大的潜力，并且碳纳米材料的家族在不断壮大。富勒烯分子显示了它们在构建纳米级电子器件的巨大潜力，因为它们有容易吸收电子的LUMO轨道，它们的球形结构可以很好地预测自组装过程。石墨烯被认为是研究分子电子和光电应用的最有前途的材料，可能替代目前使用的基于硅和金属氧化物的电子器件。希望我们的发现会丰富分子电子学中碳基材料的进一步研究。参 考 文 献1 Avouris P, Chen Z, Perebeinos V. Carbon-base