基於石墨烯的納米光電子器件研究

《基於石墨烯的納米光電子器件研究》是依託復旦大學，由寧西京擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於石墨烯的納米光電子器件研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：寧西京

項目摘要

近年發現的二維材料石墨烯被認為是最具潛力的下一代光電子元器件材料，科學家已經發展了包括場效應管在內的多種相關元件，但仍面臨許多嚴峻的挑戰。本項目以設計基於石墨烯的新型納米光電子器件為目標，系統地解決相關的三個基礎問題，即如何根據期望的光電特性確定對應的納米結構，如何製備這種結構以及如何預測並提高其熱穩定性。具體研究內容包括完善申請人最近建立的單原子統計模型用於預測納米器件的熱穩定性和壽命，進一步發展申請人最近提出的新型碳納米電整流器件和原子碳鏈雷射器，探討新型的基於石墨烯衍生納米結構的場效應管，等等。

結題摘要

基於石墨烯的納米光電子器件有望取代目前普遍使用的矽材料器件，但仍面臨一系列基礎問題。本項目圍繞這一主題開展了如下工作：A 進一步完善了我們前期建立的單原子統計模型，並將其成功的套用於預測石墨炔，單原子碳鏈的穩定性與電導等；B 研究了單層碳納米錐作為超快整流器件的可行性，並研究了不同接觸金屬如Cu，Au，Ag，Li，Be，Pd, Pt對其整流特性的影響，表明與碳錐結合較弱的金屬電極（Au，Ag, Cu）具有較好的整流效果；C 研究了單原子碳鏈作為超快光電轉換器的特性，結果表明通過機械拉伸可使單原子碳鏈的吸收波長從可見（560 nm）連續調諧到紫外（345 nm）；D 研究了單原子碳鏈作為可調諧雷射器工作物質的可行性，表明只需在碳鏈兩端施加兩三個電子伏特（eV）的電壓就可獲得粒子數反轉而產生雷射輸出，其光電轉換效率可達80%以上，遠遠高於目前的二極體雷射器。E 為了對石墨烯電阻進行調節，我們用脈衝雷射沉積方法將Cu, Ag 或Al原子沉積於吸附於矽襯底上的單層石墨烯，發現在每一個沉積脈衝之後，其電阻立即增大，然後經過大約幾分鐘的弛豫到達一個穩定值。結合理論計算表明，金屬原子吸附於石墨烯後使其電導顯著減小，因此形成了電阻尖峰，而此尖峰的衰減則對應於吸附原子在石墨烯表面形成團簇的過程。 在完善單原子統計模型過程中，首次建立了關於體材料蠕變速率的普適方程，對於預測高溫服役的金屬材料（如飛機發動機葉片）的服役壽命有重要意義。此外，我們建立了三種求解多粒子體系配分函式的新方法，其效率比目前聲稱最有效的EPM方法提高了三四個數量級，而其精度提高了約一個數量級。該工作為納米器件以及巨觀體材料設計奠定了良好基礎。