烯能帶結構之方法有量子限制效應(quantum confinement) 、物理摻雜(physical doping) 與化學摻雜(chemical doping)等。
本論文將使用熱化學氣相沉積法(thermal chemical vapor deposition, TCVD) exfolication）從高定向熱裂解石墨（Highly Orientated Pyrolytic Graphite, HOPG）
上剝離出單層石墨，石墨烯被我們視為是單層的石墨，每個碳原子之間以 SP2 混成軌域鍵結並且以六角環狀的晶格排列而成，每一個碳碳σ 鍵之間夾角為 120°，
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鍵長為 1.42Å ，而部分的電子填入位於平面上下的 π 軌域中形成 π 鍵。石墨烯的 邊緣具有三種不同的形式：扶椅型(armchair)、鋸齒型(zigzag)、混成型(hybrid)，
這三種不同的邊緣的形式會導致其具有不同的電性以及磁性。
圖 1.1 石墨烯邊緣結構形式2。
自從石墨烯被發現以後，之所以會掀起一股研究石墨烯的風潮主要是因為石 墨烯具有一些相當特殊且優異的物性以及電性。第一，石墨烯是一種零帶隙(zero band gap)的半金屬物質，它的價帶和導帶恰好相交於一點，所以同時具有像是半
導體以及金屬的特性 3。第二，石墨烯在室溫底下展現出很明顯的雙極性
(ambipolar)通道性質，表示其可以利用電洞或電子傳導而且載子遷移率(carrier mobilities)更高達 10000 cm2/Vs，遠遠超過矽基材(1400cm2/Vs)如果是以機械剝離 (mechanical exfolication)的方式得到的石墨烯，在低溫的情況底下更可以達到將 近 200000(cm2/Vs) 4。第三，單層的石墨烯對於白光的吸收大約只有 2.3%，而且 反射率幾乎可以忽略不計(<0.1%)5。第四，即便石墨烯是目前為止世界上最薄的 材料，但是卻具有超高的機械強度，其楊氏模數(Young's modulus)高達 1 TPa6。 除此之外，石墨烯也具有非常優異的導熱性質(3000 ≈5000 W m−1 K−1)7與熱穩定 性以及很大的比表面積(2630 m 2/g )8。
3 (Hexagonal boron nitride, h-BN)存在著半導體特性，藉由本身成分組成的差異，
可用來調整其能隙大小，期望可運用在發光元件或是電晶體等。由於硼碳氮(BNC)
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1-4 石墨烯之製備
目前製備石墨烯常見的方法有以下四種，以成本及品質的考量作為區分，以及能 否轉印至其他基板上作應用來分類
(一)機械剝離法(exfoliating graphite) (二) 超高真空退火(0001) 單晶碳化矽(SiC)
(三) 化學還原氧化石墨烯(reduced grapheme oxide, rGO)9
( 四 ) 在 過 渡 金 屬 基 板 上 使 用 熱 裂 解 化 學 氣 相 (thermal chemical vapor deposition,thermal-TCVD) 高溫成長
1-4-1 機械剝離法
機械剝離法 10 是第一個發現石墨烯所使用的方法，又叫做“Scotch tape method”，這個方法是利用膠帶(Scotch tape)重複撕黏的方式，從高定向石墨 (HOPG,Highly Oriented Pyrolytic Graphite)上分離出單層的石墨烯，這個方法能夠 得到很高品質的石墨烯，但是所得到的尺寸大小有限，在實際應用上受到很大的
5 好，所以生成石墨烯會走析出成長(Segragated growth)機制，生成的石墨烯通常 是多層的石墨烯；相反的，銅金屬在高溫下對碳原子的溶解度差，生成石墨烯的 機制為自限成長(Self-limiting)的機制，美國德州大學奧斯丁分校(University of
6 奈米帶。他們量測不同寬度的石墨烯奈米帶，在不同溫度下的電導(conductance, G) 和閘極偏壓(Vg) 之間的關係，發現在室溫下，此關係與未摻雜之石墨烯相似，
G 隨著 Vg 的改變會有一最小值 Gmin 的出現，對未摻雜的石墨烯而言，Gmin 對 應的 Vg 值，使費米能(Fermi energy) 處於狄拉克點，此時載子密度為零，但卻 依舊有最小導電率(conductivity)，約為 4e2/h。對石墨烯奈米帶而言，寬度越窄的 奈米帶，在愈低溫的情況下，Gmin 在接近最小值附近時，下降得愈明顯，研究 人員因而把此現象歸結於能隙的產生。可是受限於電子束微影蝕刻的解析度，製 備的奈米帶之寬度無法小於 20 nm，且邊界不平整，如此一來，電子易被散射。
最近由 Hongjie Dai 教授的研究團隊14, 16，利用超音波化學法(sonochemical) ，
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可大量生產高品質、且邊界較為平整的石墨烯奈米帶，其寬度可達 10–20 nm 。
1-5-2 摻雜
1-5-2-1 物理摻雜
利用改變雙層石墨烯17電晶體的上閘極(top gate) 與下閘極(bottom gate) 的 電壓，來調控外加垂直電場的大小，即為物理摻雜的一種方法。其原理為造成上 下電位移場(electricaldisplacement field) 的不同，使得費米能位移，並同時解除 其反轉對稱性(inversion symmetry)。
1-5-2-2 化學摻雜
化學摻雜法是利用摻雜原子以取代原本在晶格上的碳原子，進而影響碳原子 的 sp2 混成軌域，因而改變了能帶結構。目前硼和氮被視為理想的摻雜原子18， 因為他們的大小與碳原子接近。利用化學摻雜法獲得的石墨烯，雖然比未摻雜的 石墨烯有更高的開關比，但卻也發現其載子遷移率因此下降，而喪失了石墨烯先 天上的優勢。因此，打開足夠大的石墨烯能隙，但仍能不降低其載子遷移率，是 一個有待解決的課題。19
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