石墨烯的量子輸運(yùn)建模及分析.pdf

1、本文對石墨烯納米材料輸運(yùn)過程進(jìn)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(yùn)特性開始顯現(xiàn)量子效應(yīng)，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(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最大的新型納米材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其中，最有潛力的應(yīng)用則是成為硅的替代品。是以，對石墨烯中量子輸運(yùn)性能分析與建模已經(jīng)成為當(dāng)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(jié)構(gòu)

2、從而得到了其能帶結(jié)構(gòu)的近似，分析了狄拉克費(fèi)米子的獨(dú)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(dǎo)率進(jìn)行了解釋。在對這些量子性質(zhì)理解的基礎(chǔ)上，從相對論流體磁動流體力學(xué)出發(fā)，結(jié)合Boltzmann方程(BTE)推出石墨烯的流體力學(xué)方程。流體力學(xué)和碰撞為主的輸運(yùn)是理解許多相關(guān)量子流體的重點(diǎn)，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(qiáng)弱。本文中將η/s利用動力學(xué)理論在干凈、不摻雜的石墨烯中

3、進(jìn)行判定，此系統(tǒng)的量子臨界要小于許多其他相關(guān)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(xué)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(jìn)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(jī)制是由于比費(fèi)米波長更短程的強(qiáng)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(diǎn)附近的電導(dǎo)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(dǎo)率的線性關(guān)系，以及解釋最小電導(dǎo)率的存在。在合適的條件下進(jìn)行仿真，將解析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，分析其兩者相異性及一致性，驗(yàn)證了解析模型