石墨烯是由单层sp2碳原子组成的六方点阵蜂巢状二维结构,是继碳纳米管、富勒烯之后的又一重大发现。石墨烯呈现出新奇的物理特性:载流子是一种相对论粒子,遵循狄拉克方程;零能隙,可以通过掺杂或几何构型调控使其表现为金属或半导体特性;奇特的量子霍尔效应,其室温载流子迁移率达到15000 cm2 V-1 s-1,而且迁移率几乎与温度无关。对石墨烯本征特性的深入研究,有可能揭示新的物理现象并发现新的物理性质,并为验证一些物理规律提供实验载体和途径。相关研究结果对凝聚态物理的发展具有深远意义,并可能蕴含重大应用前景。
  自2009年以来,研究组开展了在SiC衬底上生长石墨烯材料及其特性的研究,发展了两种在SiC衬底上生长石墨烯的新技术(已申请国家发明专利3项),并对所制备石墨烯的物理特性(结构特征、应变、均匀性、非谐声子效应和场发射等)进行了研究,取得了初步的结果:
  (1) 采用脉冲电子辐照技术在SiC衬底上制备出了尺寸、厚度均匀一致且几乎无应变的石墨烯材料,相关成果发表在Chem. Commun. 46, 4917 (2010)和Chin. Phys. Lett. 27, 046803 (2010)上。
  (2) 采用物理气相传输(PVT)法在不同取向的SiC衬底上生长出了连续、均匀的平躺石墨烯。图1是在Si面和C面SiC衬底上外延生长石墨烯的AFM照片。利用Si面SiC衬底上外延生长的石墨烯材料研制出了场发射器件,获得的最大截止频率为4 GHz (栅宽1微米)。
  (3) 采用PVT法在SiC衬底上制备出了不同密度和高度的自由站立石墨烯,如图2所示。研究了站立石墨烯的非谐声子效应。发现其G声子模随温度的变化规律与采用第一性原理计算的结果完美符合,澄清了早期其它实验由于衬底的影响而与理论预言不符的原因。这一研究结果发表在Phys. Rev. B 83, 125430 (2011)上。场发射实验表明,自由站立石墨烯的场发射开启电场只有1.81 V/mm,场增强因子达17000,且经历120小时的连续发射其发射电流密度几乎不变。这表明站立石墨烯的场发射性能非常稳定,在冷阴极器件中有潜在的应用价值,该研究结果发表在Small 7, 450 (2011)上。

     
     
 

图1 SiC衬底上(a) Si面和(b) C面上生长石墨烯的原子力显微镜形貌像。

 
     
       
 

图2 不同气氛压力下制备的自由站立石墨烯。从(a)到(c),气氛压力逐渐降低。