论文部分内容阅读
高迁移率、高稳定性、高热导率以及其他一些优异的性质已经使石墨烯成为下一代电子器件的备选材料。由于它独特的能带结构和材料的易制备性,使其成为广大研究人员研究二维体系物理性质的较理想平台。 由于石墨烯没有带隙,在电子器件的应用方面存在一定的挑战。因此关于石墨烯的研究中,如何打开带隙从而提高器件的开关比成为众人关注的焦点问题之一。研究人员尝试了很多方法,例如将石墨烯刻蚀成纳米带甚至纳米网结构,利用库伦阻塞作用形成输运带隙;虽极大地提高了开关比,也大幅降低了迁移率,抵消了石墨烯的优势。现代电子工业中,利用应变硅工艺来提升器件迁移率的技术已经非常成熟,这提醒研究人员利用应变来改变石墨烯的能带结构,甚至打开带隙,从而避免微加工带来的缺陷。尽管理论上对应变产生带隙的研究十分充分,但至今未能在实验上实现。因此从实验上研究应变对石墨烯输运性质的影响具有十分重要的意义。 本论文对离子栅辅助形成的石墨烯p-n-p结、局域应变和剪切应变对石墨烯输运性质的影响以及石墨烯功函数与单轴应变的关系进行了系统研究,主要工作进展和研究成果总结如下: 1.利用离子栅对石墨烯进行了局部载流子调控,形成p-n-p结。比较了离子栅和传统固体栅调节能力的强弱,计算出二者的耦合系数为67.11,得到离子栅介电层实际厚度为14.3 nm。通过离子栅的转移曲线估算了重掺石墨烯的载流子浓度。讨论了同时扫描顶栅和背栅的情况下,能带相对Dirac点的移动以及电子在不同区域之间流动的情况。 2.研究了石墨烯局域应变下的I-V特性曲线,发现石墨烯的电导随着局域应变的增大而变小:在较小应变下,曲线为线性,当应变变大,曲线变弯,且开关比达到了300。通过离子栅调控石墨烯的载流子浓度,把PDMS作为柔性衬底和支承层将器件产生的应变传递给石墨烯。观测石墨烯在局域张应变下的转移特性曲线,发现Dirac点的电导随着应变的增大而减小。电导的减小主要可归结于晶界对载流子的散射:在应变较小时,由于转移石墨烯时产生的褶皱对应变有抵消作用,电导减小的趋势较为缓慢;应变较大时,由于晶界比单晶部分“柔软”,应变主要作用在晶界上,导致晶界上原子与原子之间的键长变大,对电子的散射变大,电导减小更快;应变进一步增大,晶界之间有可能发生撕裂,并沿着晶界传播,此时电子传输路径减少,电导进一步减小。 3.通过应变器件对CVD生长的石墨烯施加剪切应变,同时利用离子栅调控载流子浓度并测量其电学性质。在滴加离子液体前,测量了石墨烯I-V特性曲线和剪切应变的关系,发现在较小的应变下(3%以下),石墨烯电导随着应变的增大而增大;当应变超过3%,电导随着应变的增大而迅速减小。滴加离子液体后,通过离子栅观测石墨烯的转移特性曲线,提取到Dirac点的电导和载流子的迁移率。发现在较小的应变下,Dirac点电导及载流子的迁移率都随着应变的增大而增大;应变继续增大后,发现二者都随着应变的增大迅速减小。这个现象源于两个因素共同作用的结果:剪切应变的增大会横向拉伸晶格,增加导电通道的数量;但也会拉伸晶界处原子之间的键长,从而增加势垒宽度,增强对载流子的散射。 4.通过单轴应变器件对CVD生长的多晶及单晶石墨烯施加单轴应变,利用开尔文探针力显微镜观测二者的功函数随应变变化的关系。发现施加单轴应变后,单晶石墨烯的功函数随应变单调递增;在0.08的应变下,功函数增大了80 meV。多晶石墨烯的功函数基本上不随应变变化,原因在于应变主要发生在晶界处,因而不能改变原胞的面积,也就不能改变载流子的浓度。