掺杂石墨烯结构的理论研究开题报告

碳是自然界中万物的重要组成物质，也是构成生命有机体的主要元素。石墨和金刚石是两种典型的单质碳。20世纪80年代，纳米材料与技术获得了极大的发展。纳米碳材料也是从这一时期开始进入历史的舞台。1985年，C₆₀被科学家发现。1991年，由石墨层片卷曲而成的一维管状纳米结构：碳纳米管被发现。直到2004年，一位新成员：石墨烯，出现在碳材料的“家谱”中。石墨烯的发现者，两位英国科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov于2010年获得了诺贝尔物理学奖。因此，石墨烯引起了众多人的关注，同时也开始了人类对石墨烯物质的探索。

顾名思义，石墨烯与石墨有一定的渊源。众所周知，铅笔芯的主要成分就是石墨。当我们用铅笔写字时，是无数的石墨小颗粒留在了纸上。这些石墨小颗粒通过显微镜可以清晰的看到是由石墨薄片来构成的，随着薄片厚度的逐渐减少，石墨就会过渡到碳的另一种晶体结构：石墨烯。简单来说，石墨烯就是单层石墨层片，是构成石墨的基本结构单元。

石墨烯的英文名称Graphene，这个词早期也用来非正式地描述外延生长的石墨。在理论上，石墨烯是除金刚石外所有碳晶体的基本结构单元。例如，在计算石墨和碳纳米管特性时，通常都是从石墨烯这个基本单元出发的。

完美的石墨烯仅包括六边形蜂巢晶格结构，由sp²杂化轨道形成的二维纳米材料。如果引入五边形，就会在平面结构中形成缺陷。如果有12个五边形，就会形成C₆₀。因此，添加不同数目的五边形会形成各种不同的复杂形状。从一个石墨烯上可以“裁”出不同形状的层片，进一步团聚成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管，堆叠形成三维的石墨，因此是构建其他维度碳材料的基本单元。

关于石墨烯出色的电学性质对推进纳电子应用的发展有着十分重要的作用。但是，由于本征二维石墨烯没有缝隙，所以并不适合直接用于构建石墨烯基场效应晶体管，而场效应晶体管是石墨烯在电子学领域被讨论的最为广泛的应用之一。

现在已有多种获得石墨烯结构的实验方法，大致可以分为两大类：第一类是物理刻蚀方法，如纳米线刻蚀、氦离子刻蚀、电子束曝光和基于SPM的刻蚀；第二类是化学方法，如催化氢化法、超声化学切割法等。

自2004年石墨烯被发现以来，学术界掀起了新一轮的石墨烯研究热潮，重大成果不断涌现。但是，石墨烯在受到广泛关注的同时，也备受争议。石墨烯的特色体现在它是一个矛盾的统一体。例如，在电学性能方面，石墨烯是导电性能优异的半金属，但因电子在石墨烯中传输中呈现为有效质量为零的Dirac粒子特性，无法用传统金属理论解释。但不可否认的是，石墨烯的出现极大地促进了二维材料的发展。近年来，石墨烯制备工艺上的突破已经推动了后续关于二维材料的相关研究。在石墨烯被成功获得之前，二维材料已经获得了关键性的进展，例如薄膜材料，石墨烯的出现将薄膜材料更是推向了极致，使人们对其有了更全面的认识。目前石墨烯的应用研究正逐步走入深化，研究重点主要集中于透明薄膜电极和纳米电子器件等领域。其中，对石墨烯电学性能的研究最为广泛。随着对石墨烯结构研究的深入，整个二维材料领域（包括BN、MoS₂、氧化物/氢氧化物单层结构）的发展也将上升到一个新的台阶。