– 超级电容器
超级电容器是一个高效储存和传递能量的体系 ,它具有功率密度 大 ,容量大 ,使用寿命长 ,经济环保等优点 ,被广泛应用于各种电源 供应场所。石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率 ,不像多孔碳材 料电极要依赖孔的分布 ,这使它成为最有潜力的电极材料。Chen 等 以石墨烯为电极材料制备的超级电容 器 功 率 密 度 为 10kW/ kg , 能 量 密 度 为28.5Wh/ kg ,最大比电容为 205F/ g ,而且经过 1200次循环充放电测试后还保留 90 %的比电容 ,拥有较长的循环 寿命。石墨烯在超级电容器方面的潜在应用受到更多的研究者关 注。
I BM 表示栅极在顶部的石墨烯晶体管由绝缘硅晶圆所制成, 在不 同的栅极电压和长度下均有很高的工作频率。研究结果表明随着频率的 增高, 石墨烯晶体管电流增益的下降遵循传统晶体管的响应曲线。而最 高截止频率和栅极长度的平方成反比, 在栅长为150 nm 的时候达到26 GHz。下一个研究目标是改善栅极介电材料, 以实现工作在THz频率范 围的射频电路。
IBM 研 发 出 超 越 硅 材 料 极
限的最快石墨烯晶体管
I BM 研究中心宣称研究出世界上速度最快的石墨烯场效应晶体 管, 工作频率达到26 GHz, 这是目前为止测量到的石墨烯晶体管的最快 工作频率, 栅长为150 nm。因为峰值频率随着栅长的减小而增加, 他们 相信通过进一步减小栅长到50 nm 以内, 石墨烯晶体管的工作频率有望 突破THz。石墨烯的组成和由碳原子构成的丝网状的 “蜂窝” 晶格的 碳纳米管类似。但碳纳米管将蜂窝晶格弯曲成纳米管形状难以仿制, 石 墨烯晶体管是将碳原子沉积成薄膜, 并由传统的微影工具绘制出来。 IBM 已经证明了通过一种层状的石墨烯技术可以有效地解决用窄状石墨 烯作晶体管通道所带来的噪音问题。在最近的演示中, I BM 声称毫米波 通信电路所要求的THz频率能通过石墨烯薄膜达到。
石墨烯在纳 电子器件方面的应用
2 0 0 5年 ， G e i m研究组 与 K i m研究组发现 ，室温下石墨烯具有 l 0倍于商 用硅片的高载流子迁 移率 ( 约 1 0 a m ／ V·s ) ， 并且受温度和掺杂效应的 影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性 ( 3 0 0 K下可达0 ． 3 m) ， 这是石墨烯作为纳电子器 件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室 温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小 器件开关时间，超高频 率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势 。此外，与目前电子器件中使用的硅及金属材料不同，石墨烯减小到纳米尺度 甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能 。 最近， G e i m研究组利用电子束光极，获得了室温下可以操作的石墨烯基单电子场效应管，解决 了目前单电子场效应由于纳米尺度材料的不稳定性所带来的操作温度受 限问题 。荷兰科学家则报道了第一个石墨烯基超导场效应管，发现在电荷密度为零 的 情况下石墨烯还是可以传输一定的电流 ， 可能为低能耗 ， 开关时间快的纳米 尺度超导电子器件带来突破。
3.2传感器
电化学生物传感器技术结合了信息技术和生物技术 ,涉及化学、生 物学、物理学和电子学等交叉学科。石墨烯出现以后 ,研究者发现 石墨烯为电子传输提供了二维环境和在边缘部分快速多相电子转 移 ,这使它成为电化学生物传感器的理想材料。Chen 等 采用低温 热退火的方法制备的石墨烯作为传感器的电极材料 ,在室温下可以 检测到低浓度NO2 ,作者认为如果进一步提高石墨烯的质量 ,则会 提高传感器对气体检测的灵敏度。石墨烯在传感器方面表现出不 同于其它材料的潜能 ,使越来越多的医学家关注它 ,目前石墨烯还 被用于医学上检测多巴胺、葡萄糖等。
3.1 透明电极
工业上已经商业化的透明薄膜材料是氧化铟锡(ITO) ,由于铟元素 在地球上的含量有限 ,价格昂贵 ,尤其是毒性很大 ,使它的应用受到 限制。作为炭质材料的新星 ,石墨烯由于拥有低维度和在低密度的 条件下能形成渗透电导网络的特点被认为是氧化铟锡的替代材料 , 石墨烯以制备工艺简单、成本低的优点为其商业化铺平了道路。 Mullen 研究组 通过浸渍涂布法沉积被热退火还原的石墨烯 ,薄膜 电阻为 900Ω,透光率为 70 %,薄膜被做成了染料太阳能电池的正 极 ,太阳能电池的能量转化效率为 0.26 %. 2009 年 ,该研究组采用 乙炔做还原气和碳源 ,采用高温还原方法制备了高电导率 (1425S/cm)的石墨烯 ,为石墨烯作为导电玻璃的替代材料提供了可 能。