石墨烯的储能特性及其前景展望_百度文库
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石墨烯的储能特性及其前景展望
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你可能喜欢石墨烯為何比晶硅更適合做電子元件？
他們的優缺點又是什麼？附上一篇報導﹙但本人沒看懂，請大牛解讀一下）：
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简而言之，石墨烯之所以热门是因为它具备了作为微电子器件材料所需的大部分性质，尤其是它的超高迁移率以及结构尺度为二维的特性。除此之外，石墨烯的高热导率、高力学强度、近乎透明在实际应用中赋予了其很好的性能。但因为其缺少合适能隙的先天缺陷无法在短期内投入到实际应用中。-------------------------------------- 分割线 ------------------------------------------------具体阐述：一个理想的微电子材料需要满足的点却远不只高迁移率这一项，归结起来主要有以下几点：1) 易于在大面积的衬底上生长，过程不产生危害物，能够与现有的硅基技术相容（考虑到硅基半导体技术投入非常巨大，能够相容而不是淘汰才能够满足工业界的成本考量）。2）与衬底介电材料之间能形成稳定的界面，缺陷浓度小，不会影响界面附近半导体中载流子的输运3）和金属栅极之间的接触电阻较小4）最最重要的一点，足够好的热导率、迁移率以及一个合适的能隙宽度。这些特性决定了该器件的频率和开关电流比。石墨烯的电子迁移率异常之高而有效质量接近于0,这得益于其费米面附近独特的狄拉克锥形（Dirac cone）能带结构。图（1）dirac cone示意图高质量的石墨烯中有效质量可以达到,在制成MOSFET之后可以到,然而传统的硅基材料MOS只有,两个数量级的迁移率的差别在微电子工业中已经是很大程度的性能提升。 提到了石墨烯热传导率在有缺陷的情况下会遇到瓶颈的情况。事实上，石墨烯的热导率在封装之后相比于硅表现并不差，参见下图，封装完成的石墨烯热导率在
W·m-1·K-1量级上，现在所用的硅的热导率 为149 W·m-1·K-1，这还是没有经过加工封装的纯硅。 石墨烯的热导率并不会成为阻碍其在电子工业中应用的瓶颈。更多的关于石墨烯的热导率方面的内容可以参见下面的参考文献：Thermal properties of graphene: Fundamentals and applications Eric Pop , Vikas Varshney , and Ajit K. Roy，MRS BULLETIN,VOL37,DECEMBER 图（2）不同碳基材料的热导率在室温下的实验测量值。（Graphene 和GNR分别代表石墨烯和石墨带。suspend 是指没有放在衬底上，supported指放在SiO2衬底上，encased是指封装完成的样品）图（2）不同碳基材料的热导率在室温下的实验测量值。（Graphene 和GNR分别代表石墨烯和石墨带。suspend 是指没有放在衬底上，supported指放在SiO2衬底上，encased是指封装完成的样品）图片来源（MRS BULLETIN,VOL37,DECEMBER ）事实上，石墨烯几乎具备所有电子工业材料所需的特点，除了一个合适的能隙宽度（大于等于0.4 eV的能隙可以获得一个较好的开关电流比）。根据图（1）我们可以看到，石墨烯在费米面附近几乎没有形成能隙（band gap），从而石墨烯制成的MOSFET只能开启无法关闭。这样的材料是无法在电子工业界中得到应用的，所以目前我们暂时还无法在近期甚至中期内看到由石墨烯制成的MOSFET或者RF器件。当然，石墨烯能隙宽度这个问题也不是无法解决，目前的办法有通过刻蚀法（lithography）制成石墨带（graphene nanoribbon），或者堆叠形成双层石墨烯外加垂直方向电场形成能隙。这些方法的原理等我有时间仔细讲述一下，如果大家有兴趣了解的话。图（3）石墨烯如何打开能隙（来源nanture nanotechnology ）图（4）双层石墨烯外加垂直电场打开能隙图（4）双层石墨烯外加垂直电场打开能隙目前来看，石墨烯在电子工业界的地位更可能是硅的好基友，而不是竞争对手，利用其优异的力学、热学和电学性质可以在硅基半导体工业中扮演散热器、透明电极、衬底材料等角色。硅的霸主地位从70年代以来就受到了III-V族GaAs、碳纳米管等小弟的挑战，但没有一个把它打败过，短时间来看strain silicon技术可以进一步挖掘其潜力，硅的地位还能继续保持下去。To Be Continue
我来拍砖了，虽然不是专门做石墨烯的，但看到高票江先生的回答不甚赞同，就出来说两句吧。首先，题目中的电子元件，特指半导体器件，即晶体管，所给的链接中也是用来做晶体管了，不是用来做电阻，不是用来做电容，也不是用来做电介质。而比硅更适合，其实只是个噱头，和所谓的第三代半导体一样，石墨烯有自己的优势和特点，但谈不上更适合。有个老师曾讲过，再也找不到比硅更好的半导体材料了，想想看SiO2，这么丰富的原料，不用担心资源不够，会涨价什么的，并且能够容易的用熔炼的方法长成大块无缺陷的硅单晶，而后切割成一个个十英寸以上的晶圆片，而后用十分简便成熟的光刻的方法整体进行加工，再切割成一个个小的芯片。所以现在的芯片可以非常便宜。传说中的第二代，第三代半导体，GaAs，Ga2N3，ZnO，特点是直接带隙不易发热，另一方面和石墨烯一样，电子迁移率高。但抱歉，熔炼你们做不了那么大，用化学气相沉积的方法（CVD）制备的话，成本太高。来吐槽顶楼的分析，既然特指半导体，那么顶楼所讲的导电好，结构坚固这两项其实就不是我们所考虑的，倒是八电子这个思想还是有用的。满足8电子的半导体不一定要是第四族的单质硅和碳，实际上正常的碳是不行的，金刚石不是半导体，想做PN结的话又很难P型掺杂。那么其他族的化合物是可以的，包括了刚才提到的GaAs，GaN，ZnO。若是用于太阳能电池的窄禁带材料，还可以构建很多，如Cu2S，ZnS，CuInSe2等等。那么石墨烯为什么在半导体方面火起来了呢，那是因为集成电路想不断的减小，硅芯片做到现在十几个纳米的沟道已经是极限，那么再想减小大家就从纳米材料上下功夫，之前的噱头是碳纳米管，大批的高水平文章就是用碳纳米管手工和其他材料搭一搭有二极管，三极管作用的结构，但想用它做集成电路，那是扯淡，所以碳纳米管这个材料找不到实际有效的应用，至今没有得诺贝尔奖。而石墨烯呢，和纳米管是天壤之别，虽然它很薄，但可以做的比较大，CVD的方法好像做到边长10厘米都可以（这篇文章里是用的SiC分解法），而这篇文章文章提到，它还可以用光刻的方法加工成晶体管。而且它又是一个二维结构，一个个晶体管最后就能组成小规模的集成电路。有这个应用前景，所以石墨烯的发现，才能得诺贝尔奖。很早前的新闻也就是做5个晶体管组成的小电路，后来没留意了。想跟硅抢饭碗，还早。
对高票实在不敢苟同。首先，问题本身定义有问题。我觉得正确的问题是石墨烯比单晶硅更适合做深亚纳米尺度下的晶体管，而并非所有的电子元件。某位大神的回答从固体物理的角度解释了石墨烯的导电性和结构稳定性，毋庸置疑是正确的。然而良好的导电性并非是使之成为下一代晶体管的候选人的充足理由。我们知道，对于数字集成电路而言，晶体管在电流的控制下或者在电压控制下是否具有良好的开关特性是我们最为关注的。也就是说，在晶体管应该更加趋向于一个理想的开关，也就是说，关闭时，关态的漏电为0。开态时，导通的电阻最小。同时也要要求开关的状态转换对称，过渡时间为0。寄生的电阻和电容最小，本征的器件延时为最小。同时，器件的downscaling 是否在我们关心的尺度下可以以恒电场或者准恒电场的规则不断缩小，也是判断其性能的标准。而一个器件越趋于这个上述的理想开关特性，我们就可以放心地说他就是我们需要的晶体管器件。无论是石墨烯还是碳纳米管还是有机晶体管，只要符合我们在现有工艺可制造性的条件下，具有更理想的开关特性，就可以称他是单晶硅的替代者。特别是当晶体管的特征尺度到达10nm以下，单晶硅的栅氧的关态漏电，短沟道效应和窄沟道效应以及光刻技术的局限，都在成为平面硅技术进一步downscaling的制约因素。因而我们寄希望新的硅技术（如FinFET)和beyond silicon（如锗硅，砷化镓，石墨烯，碳纳米管和有机晶体管等）以及新的制造工艺（纳米压印等）来继续推动Moore's Law大行其道。
这个问题的答案可以非常长。因为把实验室的东西应用到工业本身就牵扯很多问题。
石墨烯在半导体领域非常受重视主要是因为：（1）它有非常大的电子迁移率。简单说来，就是电子跑得很快。（2）一点点改性就能让石墨电子传输性质发生很大改变。例如改变载流子类型，改变电阻等等。（3） 石墨烯是一个二维材料，接近于透明，又有很大的延展性，因此可以用来做透明而且软性的电子材料。（4） 石墨烯的光吸收，传输性质很特殊，可以做超快的调制器。【】
硅的最大优势是技术成熟，获取方便。目前石墨烯的应用还仅限于实验室层面。大面积获得的方法主要有（1）同向生长。就是提问者引用文章叙述的方法。（2）化学蒸汽沉积。要用到高温和金属。两个方法成本都不小，尤其是（1）。
看到的答案，特意来赞，
石墨烯比晶体硅更适合做电子器件是不正确的。我补充的原因有几点：石墨烯无法做到很纯的单晶。但这不是大问题，一是有晶界的石墨烯并不特别影响使用；二是这只是生长技术问题，并不是石墨烯本身无法长出单晶。单晶硅不也在材料学家和物理学家的努力下做到7个9(99.99999)以上的纯度了吗？但是想使用石墨烯，技术革新还是必须的。石墨烯的开关比不高。
我们想实现01开关，至少得有一个是关闭的；就算不是完全关闭，电流极低也可以。而且开电流1必须比关电流0大很多，才能在电子器件中比如可靠和容易地区分0和1。传统晶体硅器件在加栅极电压时，
导电沟道关闭，几乎不导电，就是0；不加或加反向栅极电压把导电沟道打开，就是1。但由于石墨烯不是传统意义上的半导体，相反，它是一种特殊的导体。不加栅极电压时，电流不为零；加了栅极电压，电流反而更大。由于无法关掉电流，必然有非常严重的发热问题。栅极电压无法太大程度上改变电流大小，所以几乎不能用来区分0和1。这才是石墨烯做电路的最大问题。当然这个问题也可以解决，具体不说了，这还属于研究范畴。石墨烯是一种二维纳米材料，量子效应还是太严重了。比如边缘态和晶界都有可能很大程度上影响其电子结构和电性质。当然这是从传统工业的角度，本来纳米材料就应该有量子效应，而且我们应该是去利用它而不是回避它。但是从技术层面说，量子效应的调制意味着原子级操作，想把量子效应调制成我们想要的那个状态，实在是太难。所以说：“在20年之内，基于石墨烯的cpu不会出现”
——因石墨烯获诺奖的安德烈·海姆如是说短期内石墨烯替代晶体硅只是个美好的愿望。
我们把这当成一个思维游戏好了。想象一下，假如你是工程师，现在扔给你一张元素周期表，让你挑出一种元素做成导电性好，硬度强的电子元件，你怎么选？（要求初中以上化学知识）
首先，既然我们想要一种强度高的电子元件，首先要求这种元素能够通过化学键往二维或者三维方向延展。能向二维延展的元素至少要能够形成三个化学键，能向三维拓展的元素至少要能够形成四个化学键。如下图的球棍模型所示。
现在我们需要筛选出能够形成三个以上化学键的元素。回顾一下我们初中学过的化学知识，原子成键需要遵循八耦律，也就是当原子成键以后，最外层电子排布为八电子稳定结构。元素周期表第一主族有一个电子，给出一个电子后形成稳定结构，所以假定他们能够形成化学键（其实基本上形成的都是离子键），也最多只能形成一个化学键；同理，第二主族最多只能形成二个化学键。
第三主族,第四主族最多能够分别形成三个，四个化学键。符合我们的条件。
再来看第五主族，因为该族元素最外层有五个电子，意味着只要别的原子和它们分享三个电子，就能够形成八电子稳定结构。因此，第五族元素最多也能够形成三个化学键，符合我们的要求。
第六主族外层六个电子，所以需要别人和它们分享两个电子，因此最多只能形成两个化学键，不符合要求；同理第七主族也不符合要求，第八主族本身就是稳定结构，也不符合要求。
经过这样的筛选，我们就知道制备电子元件只能从第三，第四和第五主族里面选了。
第二轮筛选开始了，我们需要该种元素制成的电子元件有良好导电性。
我们看第三主族元素，它们只有三个电子，形成三个化学键以后，就不会有自由电子了，所以无法具备良好的导电性。第五主族的元素，因为形成三个化学键以后就形成了八电子稳定结构，虽然它们五个电子中只有三个和其它三个原子配对成键，但剩下的两个电子也无法自由移动以保持八电子稳定结构。
因此我们排除了第三和第五主族，最后只能指望在第四主族找到我们想要的元素了。
第四主族最多可以形成三个或者四个化学键，所以可以形成二维或者三维结构。当形成的是三维结构时，排列如下图所示：
第四主族最上面的两种元素：碳和硅都能够形成以上的晶体结构。其中碳所形成的以上三维结构就叫金刚石（高纯度的就是钻石），硅所形成的就是单晶硅。金刚石是自然界天然形成的硬度最高的物质，为什么金刚石硬度比单晶硅要高？这是一个简单的化学规律：原子半径越小，化学键越强。因为碳的原子半径比硅小，所以金刚石的化学键就比单晶硅强。化学键越强，就越难被打断，硬度自然就越高。
但是以上的三维结构同样有一个问题，就是里面没有自由电子了。这就是为什么单晶硅导电性能不好的缘故。
那么如果第四主族元素形成的是二维结构又如何呢？这时它们将会把自己的四个电子中的三个用来成键，此时最外层电子数是4+3=7&8，所以是缺电子结构。在这种情况下，原子会想出一种办法，就是把所有电子拿出来共享，形成一种叫大π键的化学键，所有参与大π键的电子在二维的层结构间自由移动。因此我们来想象一下，用这种二维层结构组成的材料有什么性质？首先，这种二维层结构之中的原子形成的是和金刚石类似的化学键，所有它们有可以和金刚石媲美的硬度；因为层间有自由电子不断移动，所以有良好的导电性；因为层内形成的六边形，以及层间都有很大的空隙（看下图），所以对光的折射反射作用不强，所以材料会显得相当透明。
恰好，碳元素天然存在以上的二维结构，我们叫它做石墨。所以我们终于找到能够制备我们想要的电子元件的元素了。石墨结构如下图所示：
平面图截面图（黄色的就是自由电子）截面图（黄色的就是自由电子）石墨烯材料就是从以上的石墨中一层一层地取出来的东西。拿诺贝尔物理学奖的那群人想的办法就是用胶带反复地把这些层结构撕下来，就得到了石墨烯材料了。以上就解释了石墨烯为什么强度高，导电性好和透明了。不过石墨烯作为单层原子的结构，更让科学家感兴趣的其实是它们的纳米效应和量子效应。
碳材料从富勒烯到碳纳米管，再到现在的石墨烯，再到以后的碳量子点等等……都有一个特点……那就是造就了无数学生成功毕业……
电子元件方面，graphene现在只有在高频器件上有优势，也就是你看到的IBM所做的工作；其他的如传统逻辑器件CMOS，Si的性能远远好于graphene。毕竟graphene没有带隙，这在半导体应用中是致命的缺点，所以现在也有很多工作在研究怎样打开带隙，如对双层石墨烯加两偏压，把单层石墨烯变窄。
其实石墨烯没有那么好，尽管电子迁移率、机械强度、光吸收强度等等性质都能达到理想的效果，但仍然有部分性质在实际中并没有理论中的好，例如一旦纯度不够好，石墨烯导热性就难以说的上好。应用方面，石墨烯主要是在Flexible Electronic、High-frequency Transistors、Energy Storage、Photonics、Optical modulator、Bioapplications等等。目前来看石墨烯仍然是CVD和SiC外延生长两种方式高成本生产，液相剥离得到的石墨烯性能要差不少。在lz所说的Logic Transistor这方面，正如所言由于Bandgap缺失，Graphene并不适于逻辑器件。对于解决方法而言，最近十年到二十年的时间内很难会有所突破。Several research paths are being targeted at opening a bandgap ingraphene: nanoribbon, and single electron transistor formation, bilayer control and chemically modified graphene. However, all of these approaches (apart from chemical modification) have so far been unable to open a bandgap wider than 360 meV , which limits the on/off ratio to about, much less than the required. Even worse, they also lead to the degradation of the carrier mobility in graphene以上引自《A road map for graphene》，K. S. Novoselov去年的Review。对石墨烯生产和应用有兴趣的也可以看下这篇文章。作者K. S. Novoselov凭借在Graphene上的突破拿到了2010年的诺奖。
我可以吐槽说这样是为了发表论文吗……
谁说的。。
做为一个研究石墨烯的博士，我想说这完全是扯淡。
很看好石墨烯，传输速度快，能取代二极管，热效率低，但是在生产工艺和生产效率上和硅现阶段差距很大.
石墨烯真的可以代替硅吗？石墨烯优良的性质不必多说，但是如何保持高载流子迁移率还能有带隙，这个太具有挑战性了。或许设计新的电子电路？我觉得最可及的还是电极材料吧。
石墨烯在一些特定的领域会得到广泛的应用，由于石墨烯本身没有带隙，用作半导体器件那是发发文章，取代硅技术批量化生产那是骗基金的把戏！石墨烯看到的应用如下：1、在柔性领域取代ITO作为透明导电材料；2、能源领域：锂离子电池负极（最近报道实现分分钟充高能量密度锂离子电池）、超级电容器；3、电磁屏蔽、散热（高热导）材料；科研应用：1、电镜载网（太棒了，没有比这个更好的了）2、DNA测序（梦幻科技、黑科技、个人认为真正能实现的可能不高）3、质子传导膜用于燃料电池（有可能）4、光电传感器件，从红外到THz都有可能；
呵呵，我觉得石墨烯代替硅的时代应该是不存在的。
石墨烯无毒，合成简单又便宜，还是新材料，不搞点文章混毕业，搞什么。你说搞工业界，先看能不能取代ITO吧，其他都是扯谈。
自己发过文章就知道都是骗人的了
那要看是什么原件。逻辑电路元件就不要想了，没有带隙，开关比太小；射频器件元件到是OK的。目前你看到的绝大部分报道的超高频器件其实都是射频器件。
金属的电子碰撞会产热，而石墨烯不会，并且导电性比银都好。后摩尔时代取代硅的微电子材料——碳纳米管和石墨烯
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后摩尔时代取代硅的微电子材料——碳纳米管和石墨烯
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石墨烯材料研究进展
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