内应力及离子辐照对石墨烯场效应晶体管性能影响的研究

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石墨烯是碳原子以sp2轨道杂化组成的平面二维材料,拥有高载流子迁移率、高热导率、高杨氏模量,在未来微电子、生物、化学等领域拥有较大的应用潜力。石墨烯在2004年被发现时就被制成石墨烯场效应器件,随着数十年学术界与工业界的不懈努力,如今超快响应速度和超高截止频率的石墨烯场效应晶体管已经问世。但是距离其实际工业化应用还有一段距离,这其中仍有一些关键问题亟待解决,如高质量大面积石墨烯的生长、高性能石墨烯场效应器件的制备、悬置石墨烯应变效应对其电学特性的影响、石墨烯场效应晶体管磁滞现象的控制等等。本文将详细介绍石墨烯的物理特性及制备方法,并结合拉曼光谱(Raman)系统研究了悬置石墨烯的应变效应,还深入探讨了镓离子辐照对石墨烯场效应晶体管磁滞现象的影响。  本文分别采用机械剥离和化学气相沉积两种方法制备石墨烯薄膜,并将其转移到预先制备好的图形衬底上,制备出石墨烯场效应晶体管。分别利用光学显微镜、扫描电子显微镜、3D共聚焦显微镜对样品进行了详细表征,并结合Raman对石墨烯样品的层数及质量进行了鉴定。  利用Raman特征峰对应力的敏感特性,对图形衬底上悬置石墨烯的应变效应进行了系统研究。分别利用Raman2D峰与G峰定量计算出悬置石墨烯应力分布,对比二者对应力变化表现出的敏感特性。并分别测量出有应力和无应力石墨烯场效应晶体管的输出特性曲线,计算出石墨烯沟道阻值的变化,探讨了应力对石墨烯电学性能的影响,为高性能石墨烯电子元器件的制备奠定了理论基础。  结合聚焦离子束技术,重点研究了镓离子辐照对石墨烯电学性能的影响。利用不同剂量的镓离子对石墨烯引入晶格缺陷,并通过Raman监测引入缺陷的密度,探讨石墨烯场效应晶体管磁滞曲线的变化。随着离子辐照停留时间的增加,石墨烯晶格缺陷密度在增加。在Raman光谱表征下,D峰强度一直在增加,而G峰峰位先右移后左移。转移特性曲线中,狄拉克点逐渐向正栅压方向偏移,而磁滞先增强后减弱。镓离子辐照使高质量石墨烯的晶格遭到破坏,石墨烯由完美的单晶格结构转变成众多石墨烯纳米晶,纳米晶间的载流子隧穿传输调制着界面陷阱中电荷的密度,从而调控着磁滞现象。这为石墨烯场效应晶体管磁滞现象的可控性调制提供了新的方法。
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