石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個(gè)原子層厚度的準(zhǔn)二維材料，所以又叫做單原子層石墨。英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由于石墨烯具有十分良好的強(qiáng)度、柔韌、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、光學(xué)特性，在物理學(xué)、材料學(xué)、電子信息、計(jì)算機(jī)、航空航天等領(lǐng)域都得到了長足的發(fā)展。

 

　　作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

 

　　可飽和吸收特性

 

　　當(dāng)輸入的光波強(qiáng)度超過閾值時(shí)，這獨(dú)特的吸收性質(zhì)會(huì)開始變得飽和。這種非線性光學(xué)行為稱為可飽和吸收，閾值稱為飽和流暢性。給予強(qiáng)烈的可見光或近紅外線激發(fā)，因?yàn)槭┑恼w光波吸收和零能隙性質(zhì)，石墨烯很容易就變得飽和。石墨烯可以用于光纖激光器的鎖模運(yùn)作。用石墨烯制備成的可飽和吸收器能夠達(dá)成全頻帶鎖模。由于這特殊性質(zhì)，在超快光子學(xué)里，石墨烯有很廣泛的應(yīng)用空間。

 

　　石墨烯對(duì)光的線性吸收

 

　　當(dāng)光照射在石墨烯上，價(jià)帶的電子吸收光子的能量被激勵(lì)至導(dǎo)帶上。單層石墨烯的光電導(dǎo)率依賴于精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α:

 

　　其中，e是電子電荷， c是光速。單層懸空石墨烯的線性透射率為:

 

　　所以單層石墨烯對(duì)光的吸收率為2.3%，而在可見光區(qū)域，單層石墨烯的反射率要小于0.1%，10層石墨烯的反射率也僅有2%。而多層石墨烯的透過率為:

 

　　相比于其它半導(dǎo)體材料，比如常見的砷化鎵GaAs量子陷材料，10nm厚的GaAs對(duì)近帶隙的光子吸收僅有1%，石墨烯的吸收效率要高近百倍，非常有利于研制微型光學(xué)器件。

 

　　除此之外，半導(dǎo)體材料的吸收波長取決于能帶間隙，即禁帶的寬度，常用的化合物半導(dǎo)體，比如GaAs、AlGaAs、InGaAs等，它們的吸收帶一般被限制在可見光和近紅外波段，由于石墨烯導(dǎo)帶和價(jià)帶相交的零帶隙獨(dú)特結(jié)構(gòu)，理論上石墨烯對(duì)任何波長都有吸收作用。

 

　　石墨烯的超飽和吸收機(jī)理

 

　　當(dāng)強(qiáng)光照射到石墨烯上時(shí)，石墨烯的吸收不再線性，而是非線性的依賴光強(qiáng)，這個(gè)效應(yīng)稱為光的可飽和吸收。

 

　　(a)光激勵(lì)電子躍遷。(b)載流子熱平衡。(c)吸收阻斷

 

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

 

　　如上圖所示，初始在光子的照射下，價(jià)帶上的電子吸收光子的能量躍遷至導(dǎo)帶(a)。隨后熱載流子能量降低到平衡態(tài)。由于電子是費(fèi)米子，遵循泡利不相容原理，所以每個(gè)電子將按照費(fèi)米-狄拉克分布從低能量的狀態(tài)開始占據(jù)一個(gè)能量狀態(tài)。價(jià)帶的電子也將重新分布到低能量狀態(tài)，能量高的狀態(tài)被空穴占據(jù)。這個(gè)過程同時(shí)伴隨著電子-空穴復(fù)合和聲子散射(b)。在光強(qiáng)足夠大的狀態(tài)下，電子被源源不斷激勵(lì)到導(dǎo)帶，最終價(jià)帶和導(dǎo)帶光子能量的子帶完全被電子和空穴占據(jù)，帶間躍遷被阻斷，此時(shí)石墨烯飽和，光子無損耗的通過(c)。

 

　　上述電子被激勵(lì)到導(dǎo)帶的動(dòng)力學(xué)過程中存在兩個(gè)超快的弛豫時(shí)間，分別是:

 

　　(1)通過載流子-載流子散射實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)載流子的熱平衡τ1;

 

　　(2)載流子-聲子散射和帶間載流子的復(fù)合τ2。相比于τ1，不同的生長條件對(duì)τ2影響更為明顯，因?yàn)閹?nèi)載流子的熱平衡時(shí)間極短，大概在0.07-0.12ps，可以有效的穩(wěn)定鎖模，產(chǎn)生飛秒脈沖。而帶間載流子復(fù)合時(shí)間較長，在0.4-1.7ps范圍內(nèi)，可以起到啟動(dòng)鎖模的作用。如下圖所示:

 

　　電子躍遷到導(dǎo)帶的時(shí)刻處于非平衡狀態(tài)，通過與其它載流子的相互碰撞散射，達(dá)到熱平衡的時(shí)間要比其帶間躍遷的時(shí)間短的多。所以，可認(rèn)為導(dǎo)帶內(nèi)的非平衡電子以及在價(jià)帶內(nèi)產(chǎn)生的非平衡空穴都處于一種“準(zhǔn)平衡狀態(tài)”。石墨烯的非線性吸收依賴于準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)上的載流子密度，其相應(yīng)的吸收系數(shù)可以表示為:

 

　　其中，a0*為初始吸收系數(shù)，f1和f2分別是載流子在價(jià)帶和導(dǎo)帶的費(fèi)米占據(jù)幾率。如果碰撞弛豫過程足夠快，能讓載流子熱能化，占據(jù)幾率表示為:

 

　　其中，E1和E2分別是電子躍遷的初態(tài)和末態(tài)的能量，兩者之間的差為吸收光子能量hw ，F(xiàn)1和f2分別是價(jià)帶和導(dǎo)帶準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)上載流子的能量。

 

　　石墨烯是直接間隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶和價(jià)帶在k空間里相互具有很好的對(duì)稱性，載流子遵循費(fèi)米子-狄拉克分布，因此在可見光和近紅外波段的帶間吸收系數(shù)可簡化為:

 

　　其中， E1=-hw/2，E2=hw/2，hw是光子的平均能量，在弱光的激發(fā)下，石墨烯的吸收與載流子的濃度線性相關(guān)。但是在強(qiáng)光的激發(fā)下，載流子濃度遠(yuǎn)高于弱光激發(fā)的情況，fi將接近于Ei并且fi趨近于0.5，α*趨近于0，即吸收達(dá)到飽和，也就是說石墨烯被漂白。

 

　　石墨烯特性延伸閱讀

 

　　導(dǎo)電性

 

　　石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅(jiān)硬;作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。石墨烯在原子尺度上結(jié)構(gòu)非常特殊，必須用相對(duì)論量子物理學(xué)(relativistic quantum physics)才能描繪。

 

　　石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

 

　　這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

 

　　石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。

 

　　機(jī)械特性

 

　　石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家對(duì)石墨烯的機(jī)械特性進(jìn)行了全面的研究。他們選取了一些10-20微米的石墨烯微粒。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個(gè)表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在1-1.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對(duì)這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測試它們的承受能力。

 

　　在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂。如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。

 

　　自旋傳輸

 

　　科學(xué)家認(rèn)為石墨烯會(huì)是理想的自旋電子學(xué)材料，因?yàn)槠渥孕?軌道作用很小，而且碳元素幾乎沒有核磁矩。使用非局域磁阻效應(yīng)，可以測量出，在室溫狀況，自旋注入于石墨烯薄膜的可靠性很高，并且觀測到自旋相干長度超過1微米。使用電閘，可以控制自旋電流的極性。

 

　　電子的相互作用

 

　　石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強(qiáng)烈的相互作用?？茖W(xué)家借助了美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的“先進(jìn)光源(ALS)”電子同步加速器。這個(gè)加速器產(chǎn)生的光輻射亮度相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上X射線強(qiáng)度的1億倍。科學(xué)家利用這一強(qiáng)光源觀測發(fā)現(xiàn)，石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強(qiáng)烈，而且電子和電子之間也有很強(qiáng)的相互作用。