毕业 设计 (论文 )开题 报告题 目 ： 具有 自旋选择 电子 输运 特性的全 碳分子器 件 设计学 院： 电气 信息学院专 业： 电子 科学与技 术学生 姓名： 学 号：指导 教师：2014年 3月 24日开题报告填写要求1开 题报告（ 含 “ 文献 综述 ” ）作 为毕业设 计（论文 ）答辩委员 会对 学生 答辩 资格 审查 的依 据材 料之 一。 此报 告应 在指 导教 师指导 下， 由学 生在 毕业 设计 （论 文） 工作 前期 内完 成， 经指 导教 师签署意 见及所在 专业审查 后生效。2 开题 报告内容 必须用黑 墨水笔工 整书写或 按此电子 文档标准格式 （ 可从 教务处网 页上下载 ） 打印 ， 禁止 打印在其 它纸上后 剪贴 ，完成 后应及时 交给指导 教师签署 意见。 3 “ 文献 综述 ” 应按 论文的格 式成文， 并直接书 写（或打 印）在本 开题报告 第一栏目 内 ， 学生 写文献综 述的参考 文献应不 少于 10篇 （ 不包 括辞典 、 手册 ） ， 其中 至少应包 括 1篇外 文资料 ； 对于 重要的参 考文献应 附原件复 印件，作 为附件装 订在开题 报告的最 后。 4统 一用 A4纸， 并装订单 独成册， 随毕业 设计（论 文）说明书 等资料 装入文件 袋中。毕毕毕毕业业业业设设设设计（论计（论计（论计（论文）开文）开文）开文）开题题题题报报报报告告告告1 文献 综述 ： 结合 毕业设计 （ 论文 ） 课题 情况 ， 根据 所查阅的 文献资料 ，撰写 2500字 以上 的文 献综述， 文后应列 出所查阅 的文献资 料。文献 综述石 墨烯 概念石 墨烯（ Graphene） 是一种 由 碳 原子 构 成的单 层片状 结构的 新材料 。是一 种由碳原子 以 sp2杂化 轨道 组成 六角型 呈蜂巢 晶格的 平面薄 膜，只 有一个 碳原子 厚度的 二维材料 。 石墨 的层间 作用力 较弱， 很容易 互相剥 离，形 成薄薄 的石墨 片。当 把石墨 片剥成单 层之后 ，这种 只有一 个碳原 子厚度 的单层 就是石 墨烯。 石墨 烯目前 是世上 最薄却也是最坚硬的纳米材料 ， 它几乎是完全透明的 ， 只吸收 2.3%的光 ； 导热系数高达 5300W/m K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过 15000cm²/V s， 又比 纳米碳管 或硅晶体高 ， 而 电阻率 只约 10-6 cm， 比铜或银更低 ， 为世上电阻率最小的 材料。 因其电 阻率极 低，电 子迁移 的速度 极快， 因此被 期待可 用来发 展更薄 、导 电速度更快的新一代电子元件或晶体管。石 墨烯 的由 来 20世纪初，科学家开始接触到石墨烯。石 墨烯一 直被认 为是假 设性的 结构， 无法单 独稳定 存在， 直至 2004年 ,英 国曼彻斯特大学的物理学教授安德烈 杰姆 （ AndreGeim） 和他的学生克斯特亚 诺沃消洛夫（ Ko-styaNovoselov） 用简单 易行的 胶带分 离法制 备出了 石墨烯 。他们 从石墨 中剥离出石墨片 ， 然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上 ， 撕开胶带 ， 把石墨片一分为二 ，不断 重复这 样的操 作，于 是薄片 越来越 薄，最 后得到 了仅由 一层碳 原子构 成的薄 片， 即石墨烯 【 1】 。石 墨烯 的结 构石 墨 烯 是 由 碳 六 元 环 组 成 的 两 维 (2D)周 期 蜂 窝 状 点 阵 结 构 ,它 可 以 翘 曲 成 零 维(0D)的富勒烯 (fullerene),卷成一维 (1D)的碳纳米管 (carbonnano-tube,CNT)或者堆垛 成三维 (3D)的 石墨 (graphite),因 此石墨 烯是构 成其他 石墨材 料的基 本单元 。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环 ,是目前最理想的二维纳米材料 .。理想 的石墨 烯结构 是平面 六边形 点阵， 可以看 作是一 层被剥 离的石 墨分子 ，每个 碳原 子均为 sp2杂化 ， 并贡献剩余一个 p轨道上的电子形成大 键 ， 电子可以自由移动 ，赋予 石墨烯 良好的 导电性 。二维 石墨烯 结构可 以看是 形成所 有 sp2杂化 碳质材 料的基本组成单元 。石 墨烯 的电 学特 性 石 墨烯具 有 超 强导电 性、电 阻小， 电子迁 移快 的 特性 ， 常温下 即可观 察到量 子霍耳效应。 常温下其电子迁移率 *超过 15000cm²/V s，又比纳米碳管或硅晶体 *高 ， 而电阻率只约 10-6 cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料 。石墨烯结构非常稳定 ， 迄今为止 ， 研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况 。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧 ， 当施加外部机械力时 ， 碳原子面就弯曲变形 ，从而 使碳原 子不必 重新排 列来适 应外力 ，也就 保持了 结构稳 定。这 种稳定 的晶格 结构使碳 原子具 有优秀 的导电 性。石 墨烯中 的电子 在轨道 中移动 时，不 会因晶 格缺陷 或引 入外 来原子 而发生 散射。 由于原 子间作 用力十 分强， 在常温 下，即 使周围 碳原子 发生 挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。 石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的 1/300， 远远超过了电子在一 般 导 体 中 的 运 动 速 度 。 这 使 得 石 墨 烯 中 的 电 子 ， 或 更 准 确 地 ， 应 称 为 “ 载 荷子 ” (electricchargecarrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。石 墨烯 的应 用及 发展 前景 石 墨烯应 用范围 广阔。 根据石 墨烯强 度超大 ，超薄 ，超导 电，导 热的特 性，它 可被广 泛应用 于各领 域。包 括：太 阳能电 池、传 感器方 面、纳 米电子 学、高 性能纳 电子 器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储、半导体领域等 。石 墨烯良 好的电 导性能 和透光 性能， 使它在 透明电 导电极 方面有 非常好 的应用 前景。 触摸屏 、液晶 显示、 有机光 伏电池 、有机 发光二 极管等 等，都 需要良 好的透 明电 导电极材料 。 特别是 ， 石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良 ;氧化铟锡脆 度较高 ，比较 容易损 毁。在 溶液内 的石墨 烯薄膜 可以沉 积于大 面积区 域。通 过化学气 相沉积 法，可 以制成 大面积 、连续 的、透 明、高 电导率 的少层 石墨烯 薄膜， 主要 用于光伏器件的阳极，并得到高达 1.71%能量转换效率 ;与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转换效率的 55.2%。石 墨烯特 殊的结 构形态 ，使其 具备目 前世界 上最硬 、最薄 的特征 ，同时 也具有 很强的 韧性、 导电性 和导热 性。这 些及其 特殊的 特性使 其拥有 无比巨 大的发 展空间 ，未 来可 以应用 于电子 、航天 、光学 、储能 、生物 医药、 日常生 活等大 量领域 。石墨 烯集合世界上最优质的各种材料品质于一身 ， 故有业内人士如此评价 ： 如果说 20世纪是硅的世纪，石墨烯则开创了 21世纪的新材料纪元，将给世界带来实质性变化。作 为新兴 产业， 前瞻产 业研究 院石墨 烯行业 研究员 李生发 指出。 石墨烯 未来前 途一片光明。碳 纳米 管简 介 碳纳米管，简称 CNTs，英文名称是 carbonnanotube，又名巴基管。碳 纳米管 ，是一 种具有 特殊结 构（径 向尺寸 为纳米 量级， 轴向尺 寸为微 米量级 ，管子 两端基 本上都 封口） 的一维 量子材 料。碳 纳米管 主要由 呈六边 形排列 的碳原 子构 成数层到数十层的同轴圆管 。 层与层之间保持固定的距离 ， 约 0.34nm， 直径一般为 220nm。根 据碳六 边形沿 轴向的 不同取 向可以 将其分 成锯齿 形、扶 手椅型 和螺旋 型三种 。其中 螺旋型 的碳纳 米管具 有手性 ，而锯 齿形和 扶手椅 型碳纳 米管没 有手性 。 实际 上可以理解为石墨烯片层卷曲而成 【 2】 。由来： 1991年日本 NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛 (Iijima)在高分辨 透射电 子显微 镜下检 验石墨 电弧设 备中产 生的球 状碳分 子时， 意外发 现了由 管状 的同轴纳米管组成的碳分子 ,即碳纳米管。碳 纳米 管的 结构碳 纳 米 管 具 有 典 型 的 层 状 中 空 结 构 特 征 ,构 成 碳 纳 米 管 的 层 片 之 间 存 在 一 定 的 夹角碳 纳米管 的管身 是准圆 管结构 ，并且 大多数 由五边 形截面 所组成 。管身 由六边 形碳 环微 结构单 元组成 ,端帽 部分由 含五边 形的碳 环组成 的多边 形结构 ，或者 称为多 边锥形多 壁结构 。是一 种具有 特殊结 构（径 向尺寸 为纳米 量级， 轴向尺 寸为微 米量级 、管 子两 端基本 上都封 口）的 一维量 子材料 。它主 要由呈 六边形 排列的 碳原子 构成数 层到 数十层的同轴圆管【 3】 。 层与层之间保持固定的距离 ， 约为 0.34nm， 直径一般为 2 20nm。碳 纳米 管常 用分 类单壁碳纳米管（ Single-wallednanotubes,SWNTs） ：由一层石墨烯片组成。单壁管 典 型 的 直 径 和 长 度 分 别 为 0.75 3nm和 1 50 m。 又 称 富 勒 管 (Fullerenestubes)。多壁碳纳米管（ Multi-wallednanotubes,MWNTs） ： 含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆 。 其层数从 2 50不等 ， 层间距为 0.34 0.01nm， 与石墨层间距 (0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为 2 30nm和 0.1 50 m。目 前单壁 碳纳米 管存在 三种类 型的结 构，分 为扶手 式碳纳 米管， 锯齿形 碳纳米 管和手性碳纳米管 ， 这些类型的碳纳米管的形成取决于碳原子的六角点阵二维石墨片是如何 “ 卷曲起来 ” 形成圆筒形的【 4】 。选石墨平面中任一碳原子 O做原点 ,再选另一个碳原子 A,从 O到 A的矢量为R=na1+m a2 （ 1）式中 n、 m为整数 .将石墨平面卷曲成一个圆柱 ,在卷曲过程中使矢量 R末端的碳原 子 A与原点上的碳原 子 O重合 ,然后在石墨圆柱的两端罩上碳原子半球面 ,这样就形成了一个封闭的碳纳米管 .这样形成的碳纳米管可用 (n,m)这对整数来描写 .因为 这 对 整 数 一 经 确 定 ,碳 纳 米 管 的 结 构 就 完 全 确 定 .所 以 ,把 这 对 整 数 称 为 碳 纳 米 管的指数 .当 m=n时即手性角 =30 时，成为扶手型碳纳米管 (Armchair)；当 m=0或 n=0时即手性角 =0 时，成为锯齿型碳纳米管 (Zigzag)；当 0 30 时，则成为手性型碳纳米管（或螺旋型碳纳米管 ） 。碳 纳米 管的 电学 性质碳纳 米管的 性 质与 其结构 密切相 关。 由于 碳纳米 管的结 构与石 墨的片 层结构 相同， 所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当 CNTS的管径大于 6mm时，导电性能就下降；当管径小于 6mm时， CNTS可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线 【 5】 。碳纳 米管具 有独特 的电学 性质 ,这是 由于电 子的量 子限域 所致 ,电子 有效的 运动只 能在单层 石墨片 中沿碳 纳米管 的轴向 方向 ,径向 运动受 到限制 ,因此 其波矢 是沿轴 向的。 计算表明 :单壁碳纳米管的电学性质与其手性矢量 R有关 ,当式 (1)中的 m和 n满足：|m-n|=3