单层石墨烯场效应晶体管制备及低温导电特性北大核心CSCD

采用化学气相沉积法(CVD)制备单层石墨烯,将其转移到300nm厚的SiO_2/Si衬底上.通过真空蒸镀法在石墨烯表面沉积Au电极,获得SiO_2/Si背栅石墨烯场效应晶体管,对其进行低温导电特性的测试.结果表明,背栅石墨烯场效应晶体管呈双极导电性,并表现出P型导电特性.室温下器件的电子迁移率为3478cm^2/V.s,开关比(on/off)为1.88.在低温下器件的电子迁移率降至2913cm^2/V.s,开关比上升到2.53,狄拉克点左移,P型掺杂效应减弱,温度对器件起到调制作用.     

单层石墨烯场效应晶体管制备及低温导电特性

采用化学气相沉积法(CVD)制备单层石墨烯,将其转移到300nm厚的SiO_2/Si衬底上.通过真空蒸镀法在石墨烯表面沉积Au电极,获得SiO_2/Si背栅石墨烯场效应晶体管,对其进行低温导电特性的测试.结果表明,背栅石墨烯场效应晶体管呈双极导电性,并表现出P型导电特性.室温下器件的电子迁移率为3478cm~2/V.s,开关比(on/off)为1.88.在低温下器件的电子迁移率降至2913cm~2/V.s,开关比上升到2.53,狄拉克点左移,P型掺杂效应减弱,温度对器件起到调制作用.     

石墨烯掺杂研究达到新水平

关于掺杂石墨烯的新实验,令这种二维材料超越了"Van Hove奇点",进入到可能会存在奇异物质态的区域。石墨烯以其独特的电子特性而闻名,例如狄拉克点,在材料能带结构中的这个点,电子行为类似于高能粒子。一个载荷电子通过狄拉克样式的石墨烯,就会像一个粒子,几乎不与它的许多同类相互作用。     

石墨烯莫尔超晶格

石墨烯莫尔超晶格来源于六方氮化硼衬底对石墨烯的二维周期势调控. 由于这种外加的周期势对石墨烯能带具有显著的调制作用, 近年来引发了人们广泛的关注. 利用氮化硼衬底上外延的单晶石墨烯薄膜, 我们系统研究了基底调制下的莫尔超晶格以及相关的物理特性. 首先, 我们在电子端和空穴端都观测到了超晶格狄拉克点, 并且超晶格狄拉克点同本征狄拉克点类似, 都表现出绝缘体的特性. 在低温强磁场下, 可以观测到到单层石墨烯和双层石墨烯的量子霍尔效应. 并且, 从朗道扇形图中, 可以清晰的看到磁场下形成的超晶格朗道能级. 此外, 利用红外光谱的方法研究了强磁场下石墨烯超晶格体系不同朗道能级之间的跃迁, 发现这种跃迁满足有质量狄拉克费米子的行为, 对应38 meV的本征能隙. 在此基础上, 我们在380 meV位置发现一个同超晶格能量对应的光电导峰. 通过利用旋量势中三个不同的势分量对光电导峰进行拟合, 发现赝自旋杂化势起主导作用. 进一步研究表明赝自旋杂化势强度随载流子浓度的增大显著降低, 表明电子-电子相互作用引起的旋量势的重构.     

石墨烯晶体管优化制备工艺在单片集成驱动氮化镓微型发光二极管中的应用

在显示领域,微型发光二极管(micro-LED)潜力巨大,有望引领下一代新型显示技术的发展方向,其显示性能在很多方面优于现有的液晶、有机发光二极管(OLED),但巨量的micro-LED像素点与驱动电路不在同一晶圆上制备,面临巨量转移的技术瓶颈.本文将新兴的石墨烯场效应晶体管作为驱动元件与氮化镓(GaN) micro-LED进行单片集成,因为二者直接制备于同一衬底上,所以从根源上规避了巨量转移的技术难题.此外,传统光刻工艺中紫外光刻胶直接接触石墨烯,会引入严重掺杂导致场效应晶体管性能较差,进而影响集成器件性能.本文提出了一种利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜作为保护层,直接旋涂紫外光刻胶进行垫层光刻的全新工艺方法,优化了石墨烯场效应晶体管制备工艺.首先在分立的石墨烯场效应晶体管中进行验证,相比于没有进行PMMA薄膜保护的器件,采用新工艺制备的石墨烯器件狄拉克点的栅极电压(V_g)距零点的偏差降低了 22 V,载流子迁移率提升了 32%.此外,将新工艺应用到集成器件制备后,发现集成器件性能得到了大幅提升.利用此新技术,由于有PMMA的保护,紫外光刻胶不再与敏感的石墨烯沟道直接接触.掺杂效应和随之而来的器件性能下降被有效扼制.因为此技术简便而廉价,所以也可应用到石墨烯之外的其他二维材料中,例如MoS2和h-BN,有望对本领域的器件工程师产生一定的参考价值.     

锂改性点缺陷石墨烯储氢性能的第一性原理研究

本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了两种石墨烯点缺陷处原子的分波态密度(PDOS),能带结构和差分电荷密度等,研究了锂掺杂对两种本征石墨烯缺陷C-Bridge和C7557电子结构的改性,以及对其储氢能力的影响.结果表明Li原子能够稳定的掺杂且不易形成团簇,并且Li原子掺杂石墨烯能够对石墨烯能带中的狄拉克锥和费米面起到调控作用,增强了缺陷石墨烯的电子活性.本征缺陷石墨烯的储氢能力较弱,缺陷石墨烯的储氢能力可以通过Li掺杂来改善.     

石墨烯带隙的调控及其研究进展

石墨烯是一种单原子层的二维材料,因其独特的晶格结构而具备十分优越的性能,引起了 科学家的广泛关注。但因其价带与导带相交于狄拉克点,导致石墨烯为没有带隙的半金属,限 制了其在纳电子学器件中的应用。为了打开石墨烯的带隙,研究者们付出了巨大的努力。在石 墨烯中引入带隙的方法包括量子限制法、掺杂法和对称性破缺法,它们分别是将电子限制在一维 的石墨烯纳米带中、对石墨烯进行n-型或p-型掺杂以及在双层石墨烯的垂直方向施加外加电场 使双层石墨烯的对称性破缺。本文着重介绍石墨烯纳米带的合成法、石墨烯掺杂的种类和打破 双层石墨烯对称性的方法。     

掺杂六角形石墨烯电子输运特性的研究

锯齿型和扶手椅型六角形石墨烯分别跨接在两Au电极上, 构成分子纳器件, 同时考虑对六角形石墨烯分别进行B, N和BN局部规则掺杂. 利用第一性原理方法, 系统地研究了这些器件的电子输运特性. 计算结果表明: B及BN掺杂到扶手椅型六角形石墨烯, 对其电流有较好的调控效应, 同时发现本征及掺杂后的锯齿型六角形石墨烯均表现为半导体性质, 且N及BN掺杂时, 表现出明显的负微分电阻现象, 特别是N掺杂的情况, 能呈现显著的负微分电阻效应, 这也许对于发展分子开关有重要应用. 通过其透射特性及掺杂诱发的六角形石墨烯电子结构的变化, 对这些结果的内在原因进行了说明.     

Ti-O共掺杂石墨烯的电子结构和光学性质的理论研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了本征石墨烯和不同掺杂浓度下Ti-O共掺杂石墨烯的电子结构和光学性质,并讨论了其内部的微观机制.研究结果表明:本征石墨烯是一种零带隙材料,狄拉克点在费米能级面上,其在紫外光区的光吸收强度较强.Ti-O共掺杂石墨烯可以很好的打开石墨烯的带隙和提高石墨烯的光催化强度,Ti18-O18@G模型费米能级附近的态密度主要由C-p轨道、Ti-d轨道和O-p轨道杂化而成.Ti18-O18@G模型在可见光区的吸收谱强度最大,主要归因于其内部晶格畸变、带隙被打开和杂质能带的出现,这些因素可以促进电子空穴对的产生和分离,从而使石墨烯在可见光区的光催化能力得到增强.本研究结果可为开发高催化活性的石墨烯提供理论依据.     

在石墨烯中实现手征对称性破缺

正石墨烯的迷人特性源于其原子排列成二维蜂窝晶格(图(a))。其具有的对称性导致在能量—动量结构中导带和价带相遇形成两个无间隙点,即"狄拉克"点。它们附近的电子能带呈圆锥形,这意味着电子的行为如同无质量的相对论费米子。除了本征自旋外,电子还具有赝自旋——它描述了两个不同子晶格上的电子振幅,可类比于自旋的量子特性。在布里渊区对角的两个不等价狄拉克点上,赝自旋绕着这两个狄拉克锥体或"谷"以相反的手性旋转(图(b))。在石墨烯中,     

图案化石墨烯/氮化镓复合超表面对太赫兹波在狄拉克点的动态多维调制

提出一种基于图案化石墨烯/氮化镓肖特基二极管与类电磁诱导透明超表面集成的新型太赫兹调制器.通过施加连续激光或偏置电压改变异质结肖特基势垒,进而致使石墨烯的费米能级在价带、狄拉克点与导带之间移动,使得异质结的电导率发生变化.在太赫兹时域光谱上表现出透射振幅的增减变化,并观察到在狄拉克点上的调制行为.因费米能级接近狄拉克点,对外加光电激励非常敏感,施加4.9—162.4 m W/cm~2的光功率或者0.5—7.0 V的偏压,调制深度先增加后减小,相位差线性增加,其中最大调制深度达90%,最大相位差为189°,该器件实现了太赫兹波的超灵敏多维动态调制.总之,该图案化石墨烯/氮化镓复合超表面调制器在超灵敏光学设备中存在潜在的应用价值.     

氧化石墨烯作为共蒸镀掺杂材料在OLED中的应用

通过共蒸镀掺杂的方法,分别用氧化石墨烯和NPB掺杂作为空穴传输层以及氧化石墨烯和Alq3掺杂作为电子传输层和发光层,制备了两种不同的有机电致发光器件。器件性能测试结果表明:相对于未掺杂的参比器件,氧化石墨烯与NPB共蒸镀掺杂的器件性能降低,与Alq3共蒸镀掺杂的器件性能提高。其中,氧化石墨烯掺杂量为Alq3的10%时,器件发光亮度为掺杂前的1.2倍,电流效率为掺杂前的2倍。这一工作为进一步提高OLED性能提供了新的途径。     

掺杂石墨烯系统电场调控的非线性太赫兹光学特性研究

石墨烯是单原子厚的二维狄拉克相对论费米子系统,其优秀的光电学性质得到了广泛的关注和研究. 本论文利用量子理论研究掺杂石墨烯系统外电场和光场共同作用下的非平衡载流子的非线性太赫兹光学性质. 研究发现,掺杂石墨烯带内光吸收表现出强的非线性太赫兹光学特性. 随着外加偏压电场的增大,石墨烯非线性光学响应增强;随着外界太赫兹光频率的减小,非线特性增强. 研究表明通过改变电场强度,可以有效调节石墨烯系统太赫兹非线性光学特性. 研究结果为探索和发展以石墨烯为基础的新型纳米太赫兹光电器件的研究和实际应用提供了理论依据. 关键词： 石墨烯 太赫兹 非线性 光电流     

高灵敏度InAs/AlSb量子阱的霍尔器件(英文)

用分子束外延在Ga As(001)衬底上生长了两个量子阱结构的霍尔器件,一个是没有掺杂的量子阱结构,一个是Si-δ掺杂的量子阱结构。研究了霍尔器件的面电子浓度和电子迁移率与温度的关系。结果表明,在300 K下,Si-δ掺杂的量子阱结构的电子迁移率高达25 000 cm~2·V~(-1)·s~(-1),并且该器件输入电阻和输出电阻较低。同时,Si-δ掺杂的量子阱结构霍尔器件的敏感度好于没有掺杂的量子阱结构霍尔器件。     

N/B掺杂石墨烯的光学与电学性质

石墨烯因其独特的化学成键结构而拥有出色的化学、热学、机械、电学、光学特性.由于石墨烯为零带隙材料,限制了其在纳电子学领域的发展.因此,为了拓宽石墨烯的应用范围,研究打开石墨烯带隙的方法显得尤为重要.本文构建了本征石墨烯、N掺杂石墨烯、B掺杂石墨烯三种模型,研究了本征石墨烯和不同掺杂浓度下的N/B掺杂石墨烯的能带结构、电子态密度及光学与电学性质,包括吸收谱、反射谱、折射率、电导率和介电函数等.研究结果显示:1)本征石墨烯费米能级附近的电子态主要是由C-2p轨道形成,而N/B掺杂石墨烯费米能级附近的电子态主要是由C-2p和N-2p/B-2p轨道杂化形成;2)N/B掺杂可以引起石墨烯费米能级、光学与电学性质的改变,且使狄拉克锥消失,进而打开石墨烯带隙;3)N/B掺杂可以引起石墨烯光学和电学性质的变化,且对吸收谱、反射谱、折射率、介电函数影响较大,而对电导率影响较小.本文的结论可为石墨烯在光电子器件中的应用提供理论依据.     

声子晶体板中的第二类狄拉克点和边缘传输

在弹性板波体系中设计了一种具有第二类狄拉克点的声子晶体板.不同于第一类狄拉克点,第二类狄拉克点附近的色散具有大的倾斜,以致于等频面的几何形状由点状变成交叉的线状.微调结构的几何参数破缺该镜面对称性,可打开第二类狄拉克点简并,实现体系的能带反转.能带反转前后的二维声子晶体板属于不同的能谷拓扑相,不同拓扑相之间存在无带隙的拓扑保护界面态.不仅如此,由于弹性板波界面态的特殊应力分布,单一能谷相声子晶体板的边界上同样支持无带隙的弹性波传输.本文拓展类石墨烯体系中的二维狄拉克点和能谷态到第二类情形中,在同一结构中获得了界面和边界上的弹性波无带隙边缘传输.由于结构设计简单,可在微小尺寸下加工获得,为高频弹性波器件的设计和构造提供了可行的途径.     

掺杂对硅烯的性能影响

硅烯是单原子层的硅薄膜,具有类石墨烯结构.因此拥有与石墨烯相似的各种奇特的热学、化学、光学和电学性质.近年来,硅烯引起了研究者的广泛关注,作为一种新型的二维狄拉克电子材料,硅烯在理论计算和实验上都取得了不少新的进展.本文主要在前人对硅烯实施边缘钝化、掺杂、外加电场、加应力或者表面官能团修饰和吸附等研究的情况下,结合当前硅烯的研究发展趋势,重点研究了不同掺杂对硅烯性质的影响,并探讨硅烯在未来硅基电子器件的应用前景.     

石墨烯-六方氮化硼面内异质结构的扫描隧道显微学研究

石墨烯-六方氮化硼面内异质结构因可调控石墨烯的能带结构而受到广泛关注. 本文介绍了在超高真空体系内, 利用两步生长法在两类对石墨烯分别有强和弱电子掺杂的基底, 即Rh(111)和Ir(111)上制备石墨烯-六方氮化硼单原子层异质结构. 通过扫描隧道显微镜及扫描隧道谱对这两种材料的形貌和电子结构进行研究发现: 石墨烯和六方氮化硼倾向于拼接生长形成单层的异质结构, 而非形成各自分立的畴区; 在拼接边界处, 石墨烯和六方氮化硼原子结构连续无缺陷; 拼接边界多为锯齿形型, 该实验结果与密度泛函理论计算结果相符合; 拼接界面处的石墨烯和六方氮化硼分别具有各自本征的电子结构, 六方氮化硼对石墨烯未产生电子掺杂效应.     

石墨烯射频器件研究进展

石墨烯因具有优良的电学特性,在半导体行业中受到广泛关注,特别因其具有超薄的结构和极高的载流子迁移率,为解决短沟道效应提供了可能,并且在高速电子领域具有应用前景.近年来,使用石墨烯作为沟道材料制备射频晶体管及射频电路是发挥石墨烯材料优势的一个重要研究方向.制造高性能的射频器件,首先要制备出高性能的石墨烯材料.在金属衬底上沉积均匀的单层石墨烯材料或者在绝缘衬底上外延生长单层、双层石墨烯材料都是获得高质量石墨烯材料的常用方法.器件结构及工艺流程的设计也是提升晶体管射频性能的重要因素,多指栅结构、T型栅结构、埋栅结构以及自对准工艺的发展能够有效改善石墨烯射频晶体管的截止频率及最大振荡频率.石墨烯晶体管独特的电学特性使得其除了可以构造与其他半导体材料电路相似的射频电路结构,还可以构造出功能完整并且结构更加简单的新型射频电路结构.     

掺杂石墨烯改善环氧树脂机械性能和抗腐蚀性能的机理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯和掺杂石墨烯对环氧树脂的吸附行为.主要研究了四种石墨烯:本征石墨烯(P-graphene)、B掺杂的石墨烯(B-graphene)、N掺杂的石墨烯(N-graphene)和O掺杂的石墨烯(O-graphene).结果表明,O掺杂有利于降低石墨烯对环氧树脂的吸附能.从电子结构上看,O掺杂的石墨烯与环氧树脂发生轨道杂化,且二者的电荷密度明显重叠,说明O掺杂的石墨烯与环氧树脂的相容性好.因此,在环氧树脂涂层中加入O掺杂的石墨烯有望成为一种提高环氧树脂涂层机械性能和抗腐蚀性能的方法 .