石墨烯的量子輸運建模及分析.pdf

1、本文對石墨烯納米材料輸運過程進行研究。隨著電子器件的微觀尺寸化以及高度集成化，電子的輸運特性開始顯現(xiàn)量子效應，以硅為主的傳統(tǒng)電子器件已無法滿足需求，新電子器件的研發(fā)成為了必然要求。而石墨烯作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、導電導熱性能最強、結構強度最大的新型納米材料已經(jīng)廣泛應用于各個領域，其中，最有潛力的應用則是成為硅的替代品。是以，對石墨烯中量子輸運性能分析與建模已經(jīng)成為當今的熱門研究。本文從石墨烯量子性質(zhì)的基本知識出發(fā)，介紹了單層石墨烯的晶體結構

2、從而得到了其能帶結構的近似，分析了狄拉克費米子的獨特性質(zhì)和石墨烯的態(tài)密度，且對石墨烯相較于其他納米材料特有的性質(zhì)——最小電導率進行了解釋。在對這些量子性質(zhì)理解的基礎上，從相對論流體磁動流體力學出發(fā)，結合Boltzmann方程(BTE)推出石墨烯的流體力學方程。流體力學和碰撞為主的輸運是理解許多相關量子流體的重點，剪切粘度η與熵密度s之比η/s尤其適合去判定量子流體中激勵相互作用的強弱。本文中將η/s利用動力學理論在干凈、不摻雜的石墨烯中

3、進行判定，此系統(tǒng)的量子臨界要小于許多其他相關量子流體，且接近于一個在夸克-膠子等離子體論文中推測的更低的邊界。忽略電子-雜質(zhì)及電子-聲子的相互作用，基于對石墨烯中的電子流體力學方程描述，對無摻雜的石墨烯建模，對其剪切粘度、動力粘度、動態(tài)粘度及雷諾數(shù)進行了探討，可知石墨烯具有低剪切粘度與熵密度之比、高動力粘度以及低動態(tài)粘度，表明了石墨烯作為納米材料特有的的優(yōu)異性能。也正是基于對這些性能的深入分析，在摻雜石墨烯中，將石墨烯視為一個無序介質(zhì)，

4、而由于石墨烯中的主要散射機制是由于比費米波長更短程的強中性散射，因此本文將雜質(zhì)視為淹沒在電子流體中的硬球障礙。不僅僅考慮電子-電子的相互作用，且通過宏觀多孔介質(zhì)法，考慮電子-雜質(zhì)的相互作用，建立一個狄拉克點附近的電導率解析模型（為了忽略電子-聲子的相互作用，在高溫100K附近建模），去描述載流子密度與電導率的線性關系，以及解釋最小電導率的存在。在合適的條件下進行仿真，將解析結果與實驗結果進行對比，分析其兩者相異性及一致性，驗證了解析模型