1.1.4　电学性质

作为单原子层的单层石墨烯，其导带和价带相交于狄拉克点，是一种带隙为零的半导体材料^[21]。石墨烯在室温下的载流子迁移率约为1.5×104 cm2·V-1·s-1^[22]，是硅材料的10倍，是已知具有最高载流子迁移率的锑化铟的2倍多。石墨烯的电阻率约为10−6 Ω·cm^{[22, 23]}，比已知电阻率最小的银还小，是目前已知电阻率最小的导电材料。2010年，意大利卡利亚里大学Cocco等人对石墨烯的剪切方向和单轴应变力方向施加压力，得到高达0.95 eV的带隙^[24]。因此，石墨烯具有优异的压阻效应。即，外部压力作用于石墨烯敏感膜片时石墨烯产生应变，使石墨烯能带结构发生改变并产生带隙，影响费米能级和费米速度，造成载流子浓度及电子迁移率发生改变，最终导致电阻发生变化。基于此原理，石墨烯目前已经被广泛用于压阻传感器研究，且根据材料的宏观形状，其可分为一维的石墨烯纤维压阻传感器^[25]、二维的石墨烯膜压阻传感器^[26]和三维的石墨烯气凝胶压阻传感器^[27]。目前石墨烯压阻传感器的工作应变范围可达到 200%^[28]，其灵敏系数不低于400^[29]。这类压阻传感器的工作机理多表现为量子隧道效应^[25]、石墨烯片层滑移^[29]或压阻材料的断裂。

具有代表性的研究之一，2013年瑞典皇家理工学院Smith等人对石墨烯膜的压阻特性进行了仿真分析和实验研究，提出了图1.7所示的石墨烯压阻式压力传感器结构。仿真结果表明，石墨烯膜压阻效应与膜片晶体取向无关，但压力-电阻率特性存在奇点漂移，其稳定性仍需进一步研究^[30]。同年，荷兰代尔夫特理工大学Zhu等人对以边长为280 µm、厚度为100 nm的方形氮化硅膜片为基底的石墨烯膜压阻效应进行了仿真，发现其压阻效应优于金属膜片压阻式压力传感器^[31]。

石墨烯的特殊能带结构导致其具有不同于一般凝聚态物质的物理化学性质，如室温下在亚微米尺度呈现弹道输运特性^[32]、反常的半整数量子霍尔效应^[33]、非零最小量子电导^[34]以及安德森弱局部化^[35]等；而且，通过掺杂其他功能材料对石墨烯的压阻传感功能进行设计和优化，可实现对压力、应变、温度和湿度等多种刺激的响应。因此，作为压力敏感薄膜，石墨烯具有优异的电学特性，且其具有比硅材料更高的灵敏度与抗过载能力，在高灵敏度动态压力测量方面具有较广阔的潜在应用前景。同时，国内外研究学者在石墨烯及其复合材料的压阻和压电特性上的研究，也为石墨烯压力传感器的研制提供了一种可能。

图1.7　瑞典皇家理工学院设计的石墨烯膜压阻式压力传感器结构[30]