石墨烯基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介

1、1 .石墨烯（Graphene）的結(jié)構(gòu)石墨烯是一種由碳原子以 sp2 雜化軌道組成六角型呈蜂巢狀晶格的平面薄膜， 是一種只有一個(gè)原子層厚度的二維材料。 如圖所示， 石墨烯的原胞由晶格矢量al和a2定義每個(gè)原胞內(nèi)有兩個(gè)原子，分別位于 A和B的晶格上。C原子外層 3個(gè)電子通過(guò)sp2雜化形成強(qiáng)6鍵（藍(lán)），相鄰兩個(gè)鍵之間的夾角120 ,第4 個(gè)電子為公共，形成弱冗鍵（紫）。石墨烯的碳-碳鍵長(zhǎng)約為，每個(gè)晶格內(nèi)有三個(gè) 鍵，所有碳原子的p軌道均與sp2雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個(gè) 離域冗鍵，具貫穿整個(gè)石墨烯。如圖所示，石墨烯是富勒烯（ 0 維） 、碳納米管（ 1 維） 、石墨（ 3 維）的基本組成

2、單元， 可以被視為無(wú)限大的芳香族分子。 形象來(lái)說(shuō)， 石墨烯是由單層碳原 子緊密堆積成的二維蜂巢狀的晶格結(jié)構(gòu)，看上去就像由六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。每個(gè)碳原子通過(guò)sp2 雜化與周圍碳原子構(gòu)成正六邊形， 每一個(gè)六邊形單元實(shí)際上類似一個(gè)苯環(huán)， 每一個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)未成鍵的電子， 單層石墨烯的厚度僅為， 約為頭發(fā)絲直徑的二十萬(wàn)分之一。圖（a）石墨烯中碳原子的成鍵形式（b）石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)。圖石墨烯原子結(jié)構(gòu)圖及它形成富勒烯、碳納米管和石墨示意圖石墨烯按照層數(shù)劃分， 大致可分為單層、 雙層和少數(shù)層石墨烯。 前兩類具有相似的電子譜，均為零帶隙結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體（價(jià)帶和導(dǎo)帶相較于一點(diǎn)的半金屬） ，具有空穴和電子兩種形式

3、的載流子。 雙層石墨烯又可分為對(duì)稱雙層和不對(duì)稱雙層石墨烯，前者的價(jià)帶和導(dǎo)帶微接觸，并沒(méi)有改變其零帶隙結(jié)構(gòu)；而對(duì)于后者，其兩片石墨烯之間會(huì)產(chǎn)生明顯的帶隙， 但是通過(guò)設(shè)計(jì)雙柵結(jié)構(gòu)， 能使其晶體管呈示出明顯的關(guān)態(tài)。單層石墨烯（Graphene） ：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。雙層石墨烯（ Bilayer or double-layer graphene ） ：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。少層石墨烯（ Few-layer or multi-

4、layer graphene ） ：指由 3-10 層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA!垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。石墨烯（Graphenes） ：是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱。由于二維晶體在熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性， 所以不管是以自由狀態(tài)存在或是沉積在基底上的石墨烯都不是完全平整， 而是在表面存在本征的微觀尺度的褶皺， 蒙特卡洛模擬和透射電子顯微鏡都證明了這一點(diǎn)。 這種微觀褶皺在橫向上的尺度在810nm范圍內(nèi)，縱向尺度大概為 。這種三維的變化可引起靜電的產(chǎn)生，所以使石墨單層容易聚集。 同時(shí)， 褶皺大小不同

5、， 石墨烯所表現(xiàn)出來(lái)的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)也不同。圖 單層石墨烯的典型構(gòu)象除了表面褶皺之外， 在實(shí)際中石墨烯也不是完美存在的， 而是會(huì)有各種形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元環(huán)，七元環(huán)等） 、空洞、邊緣、裂紋、雜原子等。這些缺陷會(huì)影響石墨烯的本征性能，如電學(xué)性能、力學(xué)性能等。但是通過(guò)一些人為的方法， 如高能射線照射， 化學(xué)處理等引入缺陷， 卻能有意的改變石墨烯的本征性能，從而制備出不同性能要求的石墨烯器件。2 . 石墨烯的性質(zhì)力學(xué)特性在石墨烯二維平面內(nèi)，每一個(gè)碳原子都以6鍵同相鄰的三個(gè)碳原子相連，相鄰兩個(gè)鍵之間的夾角120，鍵長(zhǎng)約為, 這些 C-C 鍵使石墨烯具有良好的結(jié)構(gòu)剛性，石墨烯是世界上已知

6、的最牢固的材料，具本征（斷裂）強(qiáng)度可達(dá)130GPa是鋼的 100 多倍 , 楊氏 （拉伸） 模量為1100GPa。 如此高強(qiáng)輕質(zhì)的薄膜材料, 有望用于航空航天等眾多領(lǐng)域。電學(xué)特性石墨烯的每個(gè)品格內(nèi)有三個(gè)6鍵，所有碳原子的p軌道均與sp2雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個(gè)離域冗鍵， 具貫穿整個(gè)石墨烯。冗電子在平面內(nèi) 可以自由移動(dòng)，使石墨烯具有良好的導(dǎo)電性石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有室溫半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，雙極性電場(chǎng)效應(yīng)，超導(dǎo)電性，高載流子率等優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì),其載流子率在室溫下可達(dá)到104 cm2.廣心10圖 絕緣體，導(dǎo)體，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)圖石墨烯能帶結(jié)構(gòu)石墨烯能帶結(jié)構(gòu)當(dāng)絕對(duì)零度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶是

7、滿帶（完全被電子占據(jù)）。當(dāng)受光電或熱激 發(fā)后價(jià)帶中的部分電子（石墨烯的電子運(yùn)動(dòng)速度高達(dá) lOm/s,是光速的1/300） 越過(guò)禁帶進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價(jià)帶中缺少一個(gè)電 子后形成一個(gè)帶正電的空位，成為空穴。導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴合稱為電 子-空穴對(duì)，則電子，空穴能自由移動(dòng)成為自由載流子。它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下產(chǎn) 生定向運(yùn)動(dòng)形成宏觀電流，分別成為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。石墨烯的每一單位品格有 2個(gè)碳原子，導(dǎo)致其在每個(gè)布里淵區(qū)有兩個(gè)等價(jià) 錐形相交點(diǎn)（K和K）點(diǎn)，再相交點(diǎn)附近其能量于波矢量成線性關(guān)系E二=女/燎十3（）E：能量，？：約化普朗克常數(shù)，齒：費(fèi)米速度，1*10$m/s,

8、總分別是波 矢量再X-和Y-軸的分量。因此，使得石墨烯中的電子和空穴的有效質(zhì)量均為零, 所有電子，空穴被稱為狄拉克費(fèi)米子。相交點(diǎn)為狄拉克點(diǎn)，在其附近能量為零，古石墨烯的帶隙（禁帶）為零。石墨烯獨(dú)特的載流子特性和無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子屬性使其能夠在室溫下觀測(cè)到霍爾效應(yīng)和異常的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面會(huì)出現(xiàn)電 勢(shì)差）。表明了其獨(dú)特的載流子特性和優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)。石墨烯的室溫載流子遷移率實(shí)測(cè)值達(dá) 15000cm2/V-s（電子密度1013cm2）。石墨烯高遷移率的原因散射機(jī)制在一定溫度下，即使沒(méi)有外加電場(chǎng)，半導(dǎo)體中的大量載流子也在永不停息的

9、 作著無(wú)規(guī)則的、雜亂無(wú)章的熱運(yùn)動(dòng)。載流子在運(yùn)動(dòng)時(shí)，便會(huì)不斷的與熱振動(dòng)著的品格或半導(dǎo)體中電離子的雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞，使載流子速度的大小及方向發(fā)生改 變。也就是說(shuō)載流子在運(yùn)動(dòng)中受到了散射。 當(dāng)有外電場(chǎng)作用時(shí)，一方面,載流子在 電場(chǎng)力的作用下作定向運(yùn)動(dòng)；另一方面，載流子仍不斷的遭到散射，使其運(yùn)動(dòng)方向 不斷的改變。載流子就是在外力和散射的雙重影響下，以一定的平均速度沿力的 方向漂移。眾所周知，在具有嚴(yán)格周期勢(shì)場(chǎng)的晶體中，載流子不會(huì)遭到散射。載流子遭到 散射的根本原因就是這種周期勢(shì)場(chǎng)被破壞。在實(shí)際的晶體中，除了存在周期勢(shì)場(chǎng) 外還存在一個(gè)附加勢(shì)場(chǎng)，從而使周期勢(shì)場(chǎng)發(fā)生變化。由于附加勢(shì)場(chǎng)的作用，就會(huì)使 能帶中的

10、載流子發(fā)生在不同狀態(tài)間的躍遷。例如 ，原來(lái)處于狀態(tài)的載流子遭到散 射后以一定的幾率躍遷到各種其他的狀態(tài)。晶體電子可看成是處于晶體原子所構(gòu)成的品格周期性勢(shì)場(chǎng)之中的微觀粒子，此勢(shì)場(chǎng)的形式就決定了晶體電子的能量狀態(tài)一能帶。 此即意味著晶體電子的狀態(tài) （用電子波的波矢k表征）由品格周期性勢(shì)場(chǎng)決定，即規(guī)則排列的晶體原子，就決定著由許多波矢k表征的晶體電子的狀態(tài)。因?yàn)檩d流子散射就是載流子的動(dòng)量發(fā)生改變的現(xiàn)象，也就是波矢k （晶體動(dòng)量，大小為波長(zhǎng)的倒數(shù)）發(fā)生改變的現(xiàn)象；而規(guī)則排列的原子構(gòu)成的品格周期 性勢(shì)場(chǎng)只是決定晶體電子的穩(wěn)定狀態(tài)， 而不會(huì)引起狀態(tài)的變化。故可以說(shuō)，在完 整的品格周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電子不會(huì)

11、遭受散射。因此，規(guī)則排列的晶體原子不會(huì)散射載流子。規(guī)則排列的晶體原子不散射載流子的情況， 也可以用電子波在晶體中的傳播 概念來(lái)理解。因?yàn)殡娮釉诰w中的運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上就是電子波在晶體中的傳播； 而 規(guī)則原子構(gòu)成的許多晶面都可以反射電子波， 而各個(gè)反射波之間干涉的結(jié)果，除 了某一定波長(zhǎng)的電子波因滿足 Bragg反射最大的條件、而不能傳播以外，其余的 電子波都可以在品格中很好地傳播，從而相應(yīng)的這些電子并不遭受散射。而在晶體中不能傳播的電子波的波矢，正好是Brillouin 區(qū)邊緣的那種波矢 （狀態(tài)），即這種狀態(tài)是不存在的。在能量上，Brillouin 區(qū)邊緣就對(duì)應(yīng)于禁帶；Brillouin區(qū)內(nèi)部的波矢

12、所對(duì)應(yīng)的就是容許帶（能帶）。因此，處于能帶中的晶體電子，不會(huì)受到品格的反射，即不會(huì)受到晶體原子的散射。總之，規(guī)則排列的晶體原子、亦即相應(yīng)的品格周期性勢(shì)場(chǎng)不會(huì)散射載流子?？梢韵胍?jiàn)，不是規(guī)則排列的晶體原子、亦即不是完整的品格周期性勢(shì)場(chǎng)就必將散 射載流子。換句話說(shuō)，在完整品格周期性勢(shì)場(chǎng)之上的任何附加勢(shì)場(chǎng)，對(duì)于晶體中的載流子都將要產(chǎn)生散射作用。所以，電子在石墨烯中傳輸時(shí)不易發(fā)生散射，表明石墨烯的主要散射機(jī)制是 缺陷散射?？梢蕴岣呤┑耐暾詠?lái)增加其遷移率。光學(xué)特性單層石墨烯的透過(guò)率可從菲涅耳公式用于通用光傳導(dǎo)的薄膜材料中得到Go =6. 08* 10 - 1（）Ite.kt;產(chǎn) 1y 口 =%（）其

13、中，/=H=? = 2，e是光子的電荷、C為光速為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。 可見(jiàn)單層石墨稀對(duì)光的吸收率達(dá)到了 ，對(duì)于多層石墨煉片，可以看做單層石墨 烯的簡(jiǎn)單疊加，每一層的吸收是恒定不變的，隨著層數(shù)的增加，吸收也線性增長(zhǎng)。多層石墨烯的透過(guò)率為:T= （1-u斷寫(xiě)）2。其中口或器=%為單層石墨稀的非飽和吸 收效率,n為石墨稀的層數(shù)。根據(jù)上式得出的多層石墨烯對(duì)光的吸收率和層數(shù)的 關(guān)系，隨著層數(shù)的增加，石墨烯對(duì)光的吸收率也變大，10層時(shí)吸收率達(dá)到。吸收波 長(zhǎng)取決于能帶間隙，即禁帶寬度。因?yàn)槭榱銕督Y(jié)構(gòu)，理論上對(duì)任何波長(zhǎng) 都有吸收作用，另外，當(dāng)入射光的強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，石墨烯對(duì)其的吸收會(huì) 達(dá)到飽和，這一

14、非線性光學(xué)行為稱為可飽和吸收。可飽和吸收原理當(dāng)強(qiáng)光照射到石墨稀上時(shí), 石墨稀的吸收不再是線性的 , 而是非線性的依賴于光強(qiáng) , 這個(gè)效應(yīng)稱為可飽和吸收。 初始時(shí) （圖 a ） 在光子的入射下 , 價(jià)帶上的電子將吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶。這些電子經(jīng)熱化和冷卻后形成熱費(fèi)米- 狄拉克分布。 遵循泡利不相容原理， 占據(jù)導(dǎo)帶上最低的能量狀態(tài)， 熱載流子能量降到平衡態(tài)， 價(jià)帶的電子也重新分布到低能量狀態(tài)， 能量高的狀態(tài)唄空穴占據(jù)這個(gè)過(guò)程同事伴隨著電子- 空穴復(fù)合和聲子散射（圖） 。對(duì)于 c ，當(dāng)光的強(qiáng)度降低時(shí)，吸收系數(shù)與載流子的寬度呈遞減關(guān)系。 若光的強(qiáng)度足夠大， 電子被源源不斷激勵(lì)到導(dǎo)帶，光生載流子將整

15、個(gè)導(dǎo)帶 - 價(jià)帶填滿 , 阻礙光的進(jìn)一步吸收, 對(duì)光表現(xiàn)為透明 ,帶間躍遷被阻斷此時(shí)石墨稀被飽和，光子無(wú)損耗通過(guò)?？娠柡臀仗匦詺w因于兩個(gè)主要原因， 首先， 石墨烯強(qiáng)烈的與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的線性吸收（%）提供了吸收飽和調(diào)制深度的潛能。這種大的線性吸收來(lái)源于石墨烯的獨(dú)特的性能， 包括石墨烯是二維無(wú)質(zhì)量費(fèi)米子和圓錐形的能帶結(jié)構(gòu)。 第二， 石墨烯的激發(fā)態(tài)吸收的是動(dòng)量禁止的， 因此需要聲子的輔助。 激發(fā)態(tài)電子唯一的光子耦合過(guò)程過(guò)受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)的。圖（a）電子有價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，（b）費(fèi)米-狄拉克分布形成，（c）高強(qiáng)度入射光下光生載流子引起飽和，阻止進(jìn)一步吸收。泡利不相容原理（ Pauli s exclusion

16、principle ）又稱泡利原理，在費(fèi)米（電子）子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的粒子處于完全相同的狀態(tài)。在原子中完全確定一個(gè)電子的狀態(tài)需要四個(gè)量子數(shù)， 所以泡利不相容原理在原子中就表現(xiàn)為： 不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的四個(gè)量子數(shù)， 這成為電子在核外排布形成周期性從而解釋元素周期表的準(zhǔn)則之一。調(diào)制深度， 是材料完全飽和時(shí)的反射率的最大變化， 一般由可飽和的吸收體的材料和厚度決定。石墨煉的調(diào)制深度隨著其層數(shù)的改變而改變, 這種簡(jiǎn)單的方法降低了制備難度和成本。單層石墨稀調(diào)制深度達(dá)%，調(diào)制深度與石墨稀層數(shù)成反比關(guān)系 , 可以通過(guò)控制其層數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)制深度。但是層數(shù)的增加也帶來(lái)了散射損

17、耗和內(nèi)部缺陷 , 這些非飽和損耗帶來(lái)了調(diào)制深度的降低。 因此 , 需要合理的選擇石墨烯的層數(shù), 來(lái)優(yōu)化鎖模脈沖的性能。弛豫， 一個(gè)宏觀平衡系統(tǒng)由于周圍環(huán)境的變化或受到外界的作用而變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)， 這個(gè)系統(tǒng)再由非平衡狀態(tài)過(guò)渡到新的平衡態(tài)的過(guò)程。 實(shí)質(zhì)， 系統(tǒng)中微觀例子由于相互作用而交換能量最后達(dá)到穩(wěn)定分布的過(guò)程。當(dāng)光能量足夠大時(shí), 電子的躍遷速率高于帶間馳豫速率, 被吸收光子能量對(duì)應(yīng)的激發(fā)態(tài)之下的能態(tài)全部被填滿, 同時(shí)價(jià)帶頂也被價(jià)帶上的空穴填滿, 對(duì)光吸收達(dá)到飽和。石墨稀可飽和吸收過(guò)程中 , 帶間躍遷馳豫時(shí)間在范圍內(nèi) , 可起到啟動(dòng)鎖模作用； 帶內(nèi)載流子散射和復(fù)合馳豫時(shí)間在70-120fs 范圍

18、內(nèi) , 可以有效壓縮脈沖 , 穩(wěn)定鎖模 , 產(chǎn)生飛秒脈沖。脈沖通常是指電子技術(shù)中經(jīng)常運(yùn)用的一種象脈搏似的短暫起伏的電沖擊（ 電壓或電流 ） 。主要特性有波形、幅度、寬度和重復(fù)頻率。脈沖是相對(duì)于連續(xù)信號(hào)在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)短時(shí)間發(fā)生的信號(hào)， 大部分信號(hào)周期內(nèi)沒(méi)有信號(hào)。 就像人的脈搏一樣。現(xiàn)在一般指數(shù)字信號(hào)，它已經(jīng)是一個(gè)周期內(nèi)有一半時(shí)間有信號(hào)。 計(jì)算機(jī)內(nèi)的信號(hào)就是脈沖信號(hào)， 又叫數(shù)字信號(hào)。 此外， 脈沖也用來(lái)表示思想感情上的沖動(dòng)和要求。鎖模鎖模是光學(xué)里一種用于產(chǎn)生極短時(shí)間激光脈沖的技術(shù)， 脈沖的長(zhǎng)度通常在皮秒（ 10 負(fù)十二次方秒）甚至飛秒（ 10 負(fù)十五次方秒） 。該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是在激光共振腔中的

19、不同模式間引入固定的相位關(guān)系， 這樣產(chǎn)生的激光被稱為鎖相激光或鎖模激光。 這些模式之間的干涉會(huì)使激光產(chǎn)生一系列的脈沖。 根據(jù)激光的性質(zhì)，這些脈沖可能會(huì)有極短的持續(xù)時(shí)間，甚至可以達(dá)到飛秒的量級(jí)。在自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器中縱模與橫模同時(shí)震蕩， 模式之間無(wú)固定相位關(guān)系， 無(wú)規(guī)則的相位關(guān)系干涉了諧振腔的縱模， 造成了很強(qiáng)的擾動(dòng)， 如果諧振腔內(nèi)有合適的非線性器件， 或者從外部驅(qū)動(dòng)光調(diào)制器， 這些無(wú)規(guī)則的擾動(dòng)就可能裝換成循環(huán)在諧振腔中相位規(guī)則且功率很大的單脈沖。第一種情況下，因?yàn)檩椛浔旧砼c被動(dòng)非線性器件共同產(chǎn)生周期性調(diào)制，導(dǎo)致軸向模有固定的相位關(guān)系，所以稱為被動(dòng)鎖模。第二種情況下，因?yàn)榻o調(diào)制器施加的射頻信號(hào)提供

20、了相位或頻率調(diào)制而導(dǎo)致鎖模，所以稱為主動(dòng)鎖模。自鎖模又稱克爾透鏡鎖模 (Kerr Lens ModeLocking(KLML) ，是利用激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)對(duì)振蕩光束進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制、 相位鎖定， 來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖模的， 它不需要外加主動(dòng)或被動(dòng)調(diào)制的組件。 由于晶體的克爾效應(yīng)引起光學(xué)自聚焦作用， 晶體的折射率隨光強(qiáng)的變化而發(fā)生變化， 晶體中的光束為高斯分布時(shí)， 使晶體折射率由中心至邊緣逐漸降低， 形成自聚焦現(xiàn)象， 晶體類似一個(gè)凸透鏡， 即克爾透鏡。如果在諧振腔中隨著強(qiáng)度增大而模尺寸減小的位置插入一個(gè)直徑很小的光闌， 就能獲得可飽和吸收體的作用。鎖模具有脈寬窄、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是自鎖模激光器存在問(wèn)題：

21、 一是不能自啟動(dòng)， 只有得到外加的干擾信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)鎖模， 這樣不利于激光器的正常運(yùn)行， 因此這就使它對(duì)任一外界的擾動(dòng)等非常靈敏， ；二是泵浦源要求腔內(nèi)功率密度足夠高，過(guò)度的自調(diào)制將引起鎖模的不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響了固體自鎖模激光器的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和廣泛應(yīng)用。近年來(lái)， 為了追求結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的鎖模激光器， 研究的焦點(diǎn)主要集中在和可飽和吸收體鎖模技術(shù)上。鎖模理論 : 在一個(gè)簡(jiǎn)單的激光器中，這些模式都是獨(dú)立的振蕩的，因此模式之間沒(méi)有固定地關(guān)系， 就好像一組彼此獨(dú)立、 頻率稍有不同的激光從激光器中同時(shí)射出一樣。 每一束光的相位都沒(méi)有固定， 而且相位可能因?yàn)楦鞣N原因產(chǎn)生隨機(jī)的變化， 例如激光器的工作材料的溫度變化等等

22、。 在只有很少的幾個(gè)振蕩模式的激光器中， 模式之間的干涉會(huì)產(chǎn)生激光輸出的拍頻現(xiàn)象， 這會(huì)引起激光強(qiáng)度的隨機(jī)波動(dòng)。 而在具有成千上萬(wàn)個(gè)模式的激光器， 這些干涉現(xiàn)象會(huì)平均起來(lái)產(chǎn)生近似常數(shù)的輸出強(qiáng)度，這種激光的工作方式被稱為連續(xù)波。如果不允許模式獨(dú)立振蕩， 而是要求每個(gè)模式與其他模式之間保持固定的相位， 激光輸出就會(huì)有很大的不同特點(diǎn)。 這時(shí)的輸出強(qiáng)度不再是隨機(jī)性的變化或者近似為常數(shù)， 而是由于不同模式的激光周期性的建立起相生干涉， 導(dǎo)致產(chǎn)生脈沖激光。這樣的激光器被稱為鎖?；蛘哝i相。這些激光脈沖的時(shí)間間隔為 T?=2L/c ,其中r是激光往返共振腔所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間對(duì)應(yīng)的激光器模式之間的頻率間隔，也

23、就是 A V ?= 1/ T 0脈沖的持續(xù)時(shí)間由同相振蕩的激光的縱模數(shù)量決定。 在現(xiàn)實(shí)的激光器中， 并不是所有的激光縱模都會(huì)被鎖相。如果相位鎖定的模式數(shù)量為N,頻率間隔為A v，那么總的鎖模激光帶寬為NIA v ,帶寬越寬，激光發(fā)出的脈沖持續(xù)時(shí)間越 短。在現(xiàn)實(shí)中，實(shí)際的脈沖持續(xù)時(shí)間還受到脈沖波形的影響， 這個(gè)波形是由每個(gè) 縱模的振幅與相位之間的關(guān)系決定的。 例如，對(duì)于一個(gè)產(chǎn)生的脈沖時(shí)域波形為高 斯形狀的機(jī)況起來(lái)說(shuō)，其最短的脈沖持續(xù)時(shí)間 At為At=(N* A v )其中的常數(shù)被稱為脈沖的時(shí)間帶寬積， 是一個(gè)與脈沖形狀有關(guān)的常數(shù)。對(duì)于 超短時(shí)間激光脈沖，其脈沖形狀通常認(rèn)為是雙曲正割平方，此時(shí)的時(shí)

24、間帶寬積為.通過(guò)這個(gè)等式，我們可以根據(jù)激光的頻譜寬度計(jì)算出最短的脈沖持續(xù)時(shí)間。 對(duì)于氮式激光器，其頻譜帶寬為吉赫，而它在這個(gè)帶寬下所能產(chǎn)生的最短高斯形 狀脈沖大約是300皮秒，而對(duì)于鈦摻雜藍(lán)寶石固體激光器，它的帶寬對(duì)應(yīng)的脈沖 持續(xù)時(shí)間將僅有3飛秒。這些數(shù)值表示的根據(jù)激光的帶寬理論上所能產(chǎn)生的最短 持續(xù)時(shí)間，而在實(shí)際的鎖模激光中，脈沖持續(xù)時(shí)間還受到其它各種因素的影響， 如真實(shí)的脈沖形狀、激光腔的色散等等。需要注意的是，從理論上說(shuō)，隨后的調(diào)制會(huì)進(jìn)一步縮短脈沖的持續(xù)時(shí)間， 然 而頻譜的寬度將會(huì)相應(yīng)的增加。熱學(xué)特性研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的熱導(dǎo)率可達(dá) 5000 W/m K是金剛石的3倍。石墨烯同 樣是一種優(yōu)良

25、的熱導(dǎo)體。因?yàn)樵谖磽诫s石墨中載流子密度較低，因此石墨烯的傳 熱主要是靠聲子的傳遞，而電子運(yùn)動(dòng)對(duì)石墨烯的導(dǎo)熱可以忽略不計(jì)。磁性特性由于石墨烯邊緣及缺陷處有孤對(duì)電子，使石墨烯具有鐵磁性等磁性能。2石墨烯應(yīng)用傳感器石墨烯的二維結(jié)構(gòu)(二維結(jié)構(gòu)是指原子或離子集團(tuán)中的原子或離子具有在空 間沿二維方向的正、反向延伸作有規(guī)律排布的結(jié)構(gòu))使得它在層狀材料中的比表 面積最大，表面部位與體相間無(wú)區(qū)別，這對(duì)高明敏感性必不可少，這種材料已成 為其它納米材料傳感器實(shí)施背后的主要推動(dòng)力。 超高比表面與奇異電子性質(zhì) 的結(jié) 合意味著石墨烯上任何分子的破壞都容易檢測(cè)到， 石墨烯導(dǎo)向的傳感器檢測(cè)表面 上下的單個(gè)分子很敏感。二維石墨

26、烯的獲得使設(shè)計(jì)和制備石墨烯導(dǎo)向的電極并使 其運(yùn)用在電化學(xué)傳感器和生物傳感器中成為可能。電化學(xué)催化石墨烯基材料的電催化作用來(lái)自兩個(gè)不同途徑。一方面，石墨烯或其衍生物自身有極好的催化性質(zhì)。石墨烯顯著的快速電子傳遞功能和活潑的電催化作用 主 要是由于出現(xiàn)在垂直石墨烯納米片最后的類似于熱解石墨邊緣平面的邊緣面/缺陷。另一方面，在石墨烯上沉積無(wú)機(jī)金屬，尤其是貴金屬納米顆粒，形成石墨烯 衍生物，由于貴金屬納米顆粒有著極好的催化活性，因此形成的石墨烯衍生物呈現(xiàn)出新的電催化性質(zhì)。電化學(xué)發(fā)光電化學(xué)發(fā)光是一種通過(guò)電化學(xué)激發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光的現(xiàn)象。 電化學(xué)發(fā)光傳 感器中石墨烯的 超高導(dǎo)電性質(zhì)能有效地促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移 。

27、當(dāng)石墨烯進(jìn)入傳感器平 臺(tái)，它可以充當(dāng)發(fā)光團(tuán)和電極之間的通路。 而且，石墨烯的引入可以提高平臺(tái)的 表面積和孔隙率，這可以使共反應(yīng)物擴(kuò)散得更快。能量存儲(chǔ)裝置石墨烯和石墨烯基材料 導(dǎo)電性好、比表面積高、透明度高、電位窗口寬，因 此，它們成為能量轉(zhuǎn)換裝置中一種極有前途的電極材料。石墨烯基材料電極的優(yōu)點(diǎn)已在與能量相關(guān)的電化學(xué)裝置的應(yīng)用中得到證明，如鋰電池（ LIBs）、太陽(yáng)能 電池、超級(jí)電容器等。場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor FET 是利用控制輸入回路的電場(chǎng) 效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件）在大規(guī)模、靈活、低成本電子學(xué)中 有潛在的應(yīng)用，因而在過(guò)去的數(shù)十年中已引起研究者們的注意。場(chǎng)效應(yīng)晶體管靠電場(chǎng)效應(yīng)運(yùn)作，這種電場(chǎng)效應(yīng)是一種類型的電荷載流子 （電子或空穴）通過(guò)單一 類型的半導(dǎo)體金屬（例，一個(gè)“導(dǎo)電通道”）從源頭到通道的流動(dòng)產(chǎn)生。石墨烯 本質(zhì)上是半金屬或 零帶隙半導(dǎo)體、具有很高的載流子遷移率，電子在石墨烯中的 傳導(dǎo)速度比硅快很多，而且不受溫