第12卷 第3期 太赫兹科学与电子信息学报Vo1．12，No．3 2014年6月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Jun．，2014文章编号：2095-4980(2014)03-0325-05石墨烯在电子器件研究中的应用琚 成，贾芸芳(南开大学 电子信息与光学工程学院，天津 300071)摘 要：石墨烯是近年来逐步发展起来的新型电子材料，具有导电性好、电子迁移率高、比表面积大、导热率高、弹性好等优点，石墨烯的开发和应用已成为纳米材料、生物、化学以及电子信息等多个领域的研究热点。

围绕近年来石墨烯在电子器件中的应用研究，本文主要对其在生化传感器、高速器件、太阳能电池、储能器件、柔性器件5个热点方向中的部分研究成果进行综述。

关键词：石墨烯；电子器件；应用中图分类号：TN304.1文献标识码：A doi：10.11805/TKYDA201403.0325Application of graphene in the research of electronic componentsJU Cheng，JIA Yun-fang(College of Electronic Information and Optical Engineering，Nankai University，Tianjin 300071，China)Abstract：As an emerging electronic material, graphene has been the focus of many areas including nano materials, biology, chemistry and electronic information technology, because of its excellentproperties like good conductivity, high electron mobility, large surface ratio, good elastic properties, etc.According to the recent researches of graphene applications in electronic components, some of them in thefields of biochemical sensors, high-speed components, solar cells, energy storage and flexible devices arereviewed in this paper.Key words：graphene；electronic components；application石墨烯材料的获得[1-2]，成功地验证了碳二维晶体的理论预测[3-4]，这种具有二维波浪形平面结构新型碳材料，在力、光、电、化学、生物等方面均具有优良潜能，因此在全球范围内掀起了关于石墨烯的研究热潮。

石墨烯的诞生为纳米材料注入了新的活力[5-8]，功能化的石墨烯纳米片成为纳米粒子的载体，很好地解决了纳米颗粒团聚的问题；同时优良的导电特性又很好地促进了载流子在纳米粒子间的传输。

近年来，大面积石墨烯薄膜制备技术的快速发展[9-11]，进一步推动了新型电子器件以及集成电路研究中石墨烯的应用。

石墨烯具有众所周知的极高比表面积(约2 630 cm2/g)，热导率可达 5 000 W/(m·K)，室温下电子的迁移率为15 000 cm-1/(V·s)(是硅片的10倍)，机械强度大(130 GPa)，室温下具有反常量子霍尔效应，这些性能使其成为高速电子器件、光电子器件、传感器等研究中的热点。

除此之外，石墨烯极佳的柔韧性，也使它成为柔性电子器件的首选材料。

同时，碳是生命体的基本构成元素，与传统电子器件相比，基于石墨烯的电子器件在生物兼容性方面也将具有更大的优势；石墨的资源丰富，我国是世界上石墨储量最大的国家之一，可以预测石墨烯必将成为未来电子器件的主要材料，新型石墨烯电子器件的研究，将是未来这一领域的主流方向。

围绕近年来石墨烯在新型电子器件研究中的应用，本文主要针对其在生化传感器、高速器件、太阳能电池、储能器件、柔性器件、以及THz器件中的部分研究成果进行综述。

1石墨烯场效应晶体管型生化传感器石墨烯能够吸附和解吸气体分子，利用这个特性，可以用石墨烯材料制作气体传感器，对气体分子进行检测(如壬醇、辛酸、三甲胺等)[12-13]。

电化学研究表明，功能化的石墨烯在被测生物、化学体系与固态电极之间，构建了良好的电子传输通道[7]，实现了生化信息向电信号的转化。

石墨烯场效应晶体管(Graphene Field Effect 收稿日期：2013-05-13；修回日期：2014-01-08基金项目：国家自然科学基金面上项目(61371028)；天津市自然科学基金重点资助项目(12JCZDJC22400)326 太赫兹科学与电子信息学报 第12卷Transistor ，GFET)型生化传感器，则进一步将其与FET 相结合，将石墨烯获取的生化电信号放大为源漏电流。

其中，石墨烯作为GFET 的导电沟道，栅极电压由参比电极提供，经电解质溶液作用于石墨烯导电沟道上[14]，这一器件模型可由其在电子鼻中的应用得到清晰的说明[15]，如图1所示。

柔性绝缘衬底(PET)上制备以石墨烯为导电沟道的FET ，等离子体处理及化学修饰后，固定人嗅觉受体hOR2AG1，用于戊基丁酸盐(amyl butyrate)的特异性识别。

为解决石墨烯材料固有的零带隙问题，近期又出现了以聚吡咯-氮掺杂石墨烯导电聚合物(Polypyrrole- converted Nitrogendoped Few-Layer Graphene ，PPy-NDFLG)为沟道材料的GFET ，并构建了核酸适配体GFET ，用于表皮增长因子(Vascular Endothelial Growth Factor ，VEGF)检测，如图2所示，检测限度可达到10 fM~10 nM [16]。

2 太阳能电池石墨烯具有良好的导电性、透光性和导热率，在太阳能电池中具有极大的应用潜能[17]。

采用层层成膜技术制备的石墨烯作为有机太阳能电池的阳极，可节省30%的成本，同时器件的转换效率为 2.5%，接近氧化铟锡(ITO)器件的转换效率(3%)[18]。

电池和超级电容都属于储能器件，其区别在于电池将电能存储于化学反应中；而电容则将电能以电荷的形式存储于电容内，不存在化学反应。

石墨烯具有极高耐腐蚀性、优异电子传导能力及介电性能，使其在超级电容器、燃料电池以及生物燃料电池方面都显示出巨大的应用前景[19-21]。

最近，利用单壁碳纳米管(Single-Walled Nano-Tubes ，SWNTs)作为石墨烯纳米片层间介质(见图3)[22]，克服了石墨烯纳米片堆叠的问题，进一步提高了石墨烯储能器件的储能密度，达到123 (W·h)/kg 。

3 高速电子器件基于石墨烯的新型电子器件，促进了电子、信息及通信等领域的发展。

2010年、2011年，IBM 公司相继研 发了由石墨烯材料制成的射频FET ，其截止频率分别为100 GHz,155 GHz ，是迄今为止运行速度最快，体积最小的射频FET [23-24]。

Fig.3 Sketch of graphene SWNT super capacitor 图3 石墨烯-SWNT 超级电容制备示意图 (a) process for GO preparing (b) procedure of grahene-SWNT’s synchronous hybridization and reducing graphite graphite oxide graphene oxideSWNTs graphene oxide SDBS derived SWNTs SDBS uniformly dispersed by electrostatic repulsion effectSWNT/graphene 3-D composite intra-pore oxidation co-reduce (3) (2) (1)sonication graphene sheet SWNTs Fig.2 GFET-aptamer sensor using PPY-NDFLG channel material 图2 以PPy-NDFLG 为沟道的GFET 型适配体传感器Fig.1 Electronic nose model based on GFET图1 基于GFET的电子鼻模型第3期 琚 成等：石墨烯在电子器件研究中的应用327 石墨烯固有的零带隙特性，使GFET 在关闭状态仍有电流，导致开关电流比过低，这是制约其替代硅的重要问题。

为此，IBM 公司研制了双栅GFET ，通过背面栅极关闭FET 沟道，室温下开关电流比达到100[25]。

最近，又提出了具有多层结构的石墨烯隧穿场效应晶体管[26]，其栅极部分的多层结构如图4所示，在传统单层石墨烯G rB 的基础上，增加了隧穿介质层BN 和隧穿石墨烯电极G rT ，开关电流比提高到1 000。

与此同时，IBM 公司研发了叉指电极型石墨烯光电探测器[27]，器件结构如图5所示，其中叉指结构的采用，降低了传统FET 型结构中光生载流子的复合率；非对称的源漏电极(Ti,Pd)，则降低了沟道内自建电场对光电流的负面影响。

这种石墨烯光电探测器的光波长响应范围为300 nm~6 μm ，对1.55 μm 光响应为6.1 mA/W ，是已有器件的10倍。

太赫兹电子器件是近年来快速发展起来的新型电子器件，由于太赫兹波具有高分辨率、强的抗干扰能力、独特的反隐身能力[28]以及极低的能量[29]，太赫兹器件在国家安全、通信、医学研究等多个方面具有广阔的应用前景。

石墨烯作为一种零带隙，且带隙可控、可调的奇异材料，具有迄今为止所知的最高电子迁移率，在太赫兹激光器、调制器和探测器件的研究中，均具有先天的优势[30-31]，如，最近提出的GFET 型THz 探测器[32]、双层石墨烯-THz 激光器[33]、THz 调制器[34]等。

与传统THz 真空电子器件相比，体积更小，使THz 系统的商品化成为可能。

4 触摸屏及柔性印刷电路尽管化学法制备的石墨烯存在导电特性退化的问题，但由于具有低成本、易于功能化和大面积成膜的优点，还是在大面积柔性电子、光电子器件及电路中得到了应用[35-36]；且该薄膜延展性好[37]，受外力作用发生形变时，仍能保持良好的器件性能。