石墨烯基础材料的光电特性Inhwa Jung在这研究报告中，石墨烯基础材料的光电性能被调查，特别是研究具有氧化石墨单层的石墨烯氧化物的物理和化学性质和它的化学简式与石墨的不同。

尽管氧化石墨在一百多年前就被Brodie（在1859年）合成，但直到现在特殊层还没被深入研究，与我们正在研究的石墨烯氧化物比较，物理学家在原始石墨烯(石墨的一个层)发现了卓越的物理输送特性同时也显示石墨烯在纳米电子方面的潜力;这提高我们对包括石墨烯氧化物在内的化学法改变石墨性质的兴趣。

从石墨烯的光学性质方面来看，为了识别和测量石墨烯基底的有效光学性质，由于由硅上的薄介电层组成的基底的作用，一个直截了当的方法被提出。

通过这个方法和优化介电层的厚度，获得石墨烯基底独特晶片和基底的的巨大差别。

选择合适的光学性能和介电层的厚度，氧化石墨的有效折射率和光学吸收系数可以减少氧化石墨，通过对比预测与实际测量的差别可以获得石墨烯。

椭圆光度法成像是一种为光学成像和表征超薄材料（1nm~）例如特殊化学法改变的石墨烯晶片和少层氧化石墨烯晶片保持电势的方法，单独使用椭圆光度法成像无论能否确定它的光学性质和厚度都是非常有趣的，传统的光谱椭圆光度法也可以应用到比特殊晶片宽数毫米的多层叠加的氧化石墨上。

利用两种成像方法得到的结果对比最大的区别在于光学性质的差异。

观察热处理过的单体和多层叠加，多层叠加和单层的区别类似氧化石墨（无论是特殊晶片还是多层叠加）的对比结果。

分别从轮廓仪和AFM得到厚度，解释厚度和光学性质在热处理时会改变的模型被提出。

电学特征是前面提及的异常原始石墨性能基本的技术领域，通过在真空中加热单层石墨氧化物(沉积于基体)对材料的电阻率进行了监测。

通过监测随时间和温度响应的电导率能够表明,导电率的变化可能与一个激活的化学过程有关, 并由此可以获得活化能(势垒高度)。

通过高达85 S/m的时间温度曝光可以知道单层的氧化石墨的导电率，其次在真空中加热并与气相肼发生化学还原可以成倍地得到更高的导电率，如原始石墨一样，氧化石墨导电率对电场方向很敏感，伏安测量还表明，氧化石墨的电气性能与石墨烯存在差别。

在特殊气体中对石墨氧化物进行初步的灵敏度的测量，结果表明石墨氧化物可以作为传感器的材料，于是用以测量灵敏度和特殊气体浓度的方案被提出和讨论，该方法建立在光学检测上，因此这篇论文会涉及光学特性在实际生活中的潜在应用。

摘要--------------------------------------------------------------3 感谢--------------------------------------------------------------6 目录--------------------------------------------------------------81.介绍-----------------------------------------------------------182.理论及文献探讨2.1石墨的结构和其电气性能----------------------------------------21 2.2石墨烯作为传感材料的应用--------------------------------------24 2.3石墨烯的光学可视化和表征--------------------------------------26 2.4几种获得石墨烯基底材料的技巧----------------------------------28 2.5石墨烯氧化物的结构和制备方法----------------------------------292.6石墨烯氧化物的独特性------------------------------------------313.石墨烯基底材料的光学特性3.1概述----------------------------------------------------------33 3.2高对比度成像和描述石墨烯基底的简单方法------------------------353.2.1介绍-------------------------------------------------------353.2.2实验-------------------------------------------------------383.2.3结果和讨论-------------------------------------------------433.2.4深入讨论和提供信息-----------------------------------------593.2.5总结-------------------------------------------------------72 3.3热处理减少石墨烯氧化物基底材料的椭偏仪特征--------------------733.3.1介绍------------------------------------------------------733.3.2实验------------------------------------------------------753.3.3结果和讨论------------------------------------------------833.3.4总结------------------------------------------------------984.单层石墨烯氧化物的电学特性4.1概述----------------------------------------------------------99 4.2石墨烯氧化物的电子输送测量-----------------------------------1014.2.1介绍-----------------------------------------------------1014.2.2热还原研究-----------------------------------------------1034.2.3比较化学还原和气体环境的影响-----------------------------1134.2.4实验和分析细节-------------------------------------------1194.2.5深入讨论和提供信息---------------------------------------1374.2.6总结-----------------------------------------------------1405.潜在应用及对未来工作的建议5.1在特殊气体中灵敏度的定量测量---------------------------------1415.2图案还原-----------------------------------------------------1426.总结-----------------------------------------------------------1447.参考文献------------------------------------------------------1451.介绍石墨是碳的一种同素异形体，它具有稳定的化学性质和良好的导电性。

由于储量丰富，通常被用作填料和导电材料。

众所周知，碳纳米管由单层石墨烯（单层石墨）组成（概念上）。

好像单壁碳纳米管,石墨烯(从平面内石墨的性能)被认为有优异的物理性能,使其成为填充材料、复合材料的潜在候选人。

据目前报道石墨烯有很强的双极性电气场效应，这使其用于电气设备和传感器潜在应用提供保证。

对石墨烯研究的越来越热。

在图1 –1，可以看出关于石墨烯已出版的论文数量今年超过10。

石墨不能剥离成大量单层石墨烯，这使之前的文献没有提及的。

到目前为止最成功获得单层或者多层薄层是通过摩擦膨胀石墨的机械表面或者通过带有胶带的高导向热解石墨搓到另一个硅晶片。

然而得到一层或者非常薄得多层叠合物的几率很低，通常叠合物的横向尺寸很小（少于几毫米的单层横向尺寸）。

为了通过实际设备制造基础石墨烯底层，需要大量单层底层和可再生制造方法。

为了实现大量相对大的侧面尺寸的剥离石墨，我们使用一个众所周知的化学过程实现石墨转换成石墨氧化物，然而这种转换会使原始石墨的特性发生改变，石墨氧化物是不导电的，氧化石墨如果不剥落可以通过溶液化学还原转化成石墨，一旦在水中进行氧化石墨的水相分散，单层底片可以减少。

在这个报告中，我们主要关注石墨烯氧化物和减少石墨烯氧化物薄片（我们指单层石墨氧化物为石墨烯氧化物）。

在这些研究中，为识别单层石墨烯氧化物薄片而发展了一个系统，基于这个系统和方法，单层石墨烯氧化物薄片的光学性质的测量和配置电子的测量可以做到，通过四探针测量器对石墨烯氧化物薄片进行电气测量可以显示导电材料的还原效果。

我们的最终目标是制作对特殊气体敏感的传感器。

2.理论及文献探讨2.1石墨的结构和其电气性能石墨完全由碳原子组成，图表2-1显示了三维碳堆积结构的例子。

如石墨架构图所示，每个碳原子通过共价键与其他三个碳原子形成一个完全的两空间层，每一层通过范德华力键合，因为范德华力作用力远远比共价键弱得多，所以石墨在每一层的每个方向上都可以裂开。

为了得到一个单层的石墨烯，很多人尝试剥离大块石墨。

据目前报道石墨可以通过简单的微机械分裂技术剥离成一层或者少数层。

这开辟了关于石墨烯的凝聚态物理学研究新领域。

有趣的是石墨烯这种材料展现电场效应，它说明石墨烯可以作为晶体管，图表2-2的场效应晶体管（FET）可以由石墨烯实现，根据石墨烯FET的电流结果可知，材料的导电率以独特栅极电压函数的方式改变。

石墨烯的栅极依赖关系总结在图表2-3，在图中可以看出，电阻率的变化取决于提供的栅极电压。

通过提供一个高的栅极电压电阻率被大大地减少（无论是积极的还是消极的）。

对比单壁的碳纳米管的栅极依赖关系，石墨烯栅极依赖关系是十分特殊的。

如2-4所示，通过增加栅极电压，单壁碳纳米管的导电率被减少，由于只含有空穴载流子，所以石墨烯被误认为P型半导体。

顺便说，石墨烯同时表现出P型和S型半导体的特征，这被理解为材料同时带有空穴和电子，这些可以被提供的栅极电压控制，当温度降低时，栅极电压的影响变得越来越明显。

图表2-5还总结了石墨烯的其他的方面性质，如图2-5（a）所示，薄片的厚度增加，栅极偏置效果消失，大块石墨只是简单导电而没有依赖于栅极。