石墨烯霍尔效应的研究进展

本文简要分析了石墨烯二维蜂窝状晶体结构和独特的二维电子气结构，并针对近几年国内外石墨烯霍尔效应、反常霍尔效应、量子霍尔效应和反常量子霍尔效应等性质作了概述。其次分析了石墨烯的电输运特性，阐述了石墨烯材料研究中遇到的问题，并对其发展趋势做出了预测。 *通讯作者。

石墨烯是石墨的单原子层结构，由碳原子构成正六边形网格。它是继石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管之后又一种碳的同素异形体。2004 年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆(A. K. Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(K. S. Novoselov)，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，获得2010 年诺贝尔物理学奖。石墨烯独特的电子性质，在器件应用上展现出巨大的应用潜力，被认为是最有可能取代硅的新型电子材料[1]，与碳纳米管不同，石墨烯大的共轭体系使其具有极强的电子输运能力[2]，极高的电子迁移率、光吸收率、热导率，强度高达130 GPa，高比表面积达2600 m2/g，最小霍尔电导率4 e2/h、良好的半整数量子霍尔效应[3]。科研人员发现在室温下石墨烯表现出量子霍尔效应，在温度4 K 以下表现出反常量子霍尔效应[4]。

在1879 年，美国物理学家HALL 在实验中发现了著名的“霍尔效应”。在1881 年，HALL 研究磁性金属的霍尔效应时又发现“反常霍尔效应”。反常霍尔效应与霍尔效应最本质的区别在于，霍尔效应是由于运动的电子受到外部磁场作用的洛伦兹力，使其运行轨道发生偏转。而反常霍尔效应是由于材料本身内部的自身磁化，使运行的电子轨道发生偏转，是一种全新的物理现象。反常霍尔效应不需要额外施加外部磁场。

在1979 年，K. Von Klitzing，G. Dorda 等人在研究二维体系的霍尔效应实验时发现了整数量子化平台，即整数量子霍尔效应。D. Tsui、H. Stormer 和A. Gossard 发现了分数量子化平台，称之为分数量子霍尔效应。1988 年，Haldane 首次通过在六角蜂窝状晶格体系中引入交错的磁通量(总磁通量为0)发现：在破坏了时间反演对称性后，即使无外磁场存在，也可打开一个非平庸体能隙来实现量子霍尔效应．为区别于传统的强磁场导致的量子霍尔效应，零磁场时形成的霍尔电导量子化的现象被称为量子反常霍尔效应[5]。

量子霍尔效应的实现不仅需要强的磁场还需要极低的温度条件，而与之相对的量子反常霍尔效应的优势在于不需要外加强磁场，即可实现无损耗的手性边缘状态，量子反常霍尔效应的发现极大地促进了量子电子器件的发展。

2. 石墨烯的晶体结构和电子结构 2.1. 石墨烯的晶体结构 石墨烯是单层碳原子周期性规则排列所形成的二维平面具有非常稳定的结构。其单层的厚度为0.35 nm，其以sp2 杂化形成六角蜂窝状的碳原子之间的碳碳键的键长为0.142 nm。单层石墨烯的理想比表面积为2630 m2/g，具有稳定的结构、拉伸弹性模量、抗拉强度较高以及具有优良的导热性能、零带隙、较高的电子空穴迁移率[6]。如图1 所示，石墨烯的晶体结构。