帯隙可控的氮摻雜石墨烯的製備及電學性能研究

《帯隙可控的氮摻雜石墨烯的製備及電學性能研究》是依託電子科技大學,由李萍劍擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：帯隙可控的氮摻雜石墨烯的製備及電學性能研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李萍劍

項目摘要

作為一種零帶隙的半導體，石墨烯不適合用於邏輯器件。石墨烯帶隙的打開與調控成為當前國際研究的熱點與難點。針對這一難點，本項目擬通過氮原子對石墨烯的摻雜來實現對石墨烯帶隙的打開與調製。首先，採用化學氣相沉積法和固源生長法製備大面積的氮摻雜石墨烯，系統研究生長工藝和金原子插層退火工藝對氮原子摻雜結構和濃度的影響規律，實現氮摻雜石墨烯的可控制備；然後在此基礎上，系統分析製備工藝、摻雜結構和濃度、石墨烯電子輸運特性三者之間的相互影響規律，揭示氮原子替位摻雜對石墨烯能帶結構的調控機制，實現大面積石墨烯帶隙的打開和調控；最後，研製出高開關比、高遷移率的場效應電晶體。本項目的研究，不僅對深入理解石墨烯氮摻雜的物理效應及其帶隙調控的物理機制具有基礎科學意義，而且對探索石墨烯在邏輯器件的套用也具有積極意義。

結題摘要

首先研究了本徵石墨烯薄膜的生長機制，在此基礎上實現了晶圓級高質量單層和雙層石墨烯的可控制備，特別是首次在twisted雙層石墨烯上觀測到了電學帶隙的電場可調特性。對本徵石墨烯薄膜生長機制的深入理解為下一步可控摻雜研究奠定了基礎。 其次，按計畫重點圍繞氮摻雜石墨烯薄膜的可控制備及其電學性能開展研究，通過碳源、固源、氣體流量、生長溫度等參數研究，在一定程度上實現了氮摻雜濃度和摻雜結構的可控。在此基礎上進一步研究發現在給電子能力方面pyridinic-N < pyrrolic-N < graphite-N，在引起載流子散射幾率上pyridinic-N > pyrrolic-N > graphite-N，最終獲得了氮摻雜濃度和graphitic-N/total N分別為5.6 at%和40%的氮摻雜石墨烯，其性能優於大部分報導的氮摻雜石墨烯薄膜，與單晶疇的氮摻雜石墨烯性能相當。 再次，為了進一步理解和評估氮摻雜對石墨烯能帶的影響機制，將研究對象擴展到矽摻雜（2.6 at %）和硫摻雜（2.4 at%）石墨烯薄膜，橫向比較了氮、矽和硫三種非金屬元素對石墨烯薄膜影響規律的異同。研究發現矽摻雜和硫摻雜分別為p型和n型摻雜。和氮摻雜相比，硫摻雜具有更強的給電子能力和更低的載流子散射幾率。 最後，製備了氮摻雜（4.2 at%）、硫摻雜（1.3 at%）、磷摻雜（1.2 at%）和矽摻雜（5.6 at%）石墨烯（還原氧化石墨烯）粉末，通過研究摻雜對石墨烯薄膜和石墨烯粉末影響規律的異同，深入理解非金屬摻雜對石墨烯能帶的影響機制。進一步的研究顯示和石墨烯薄膜摻雜的結果相同的是，氮摻雜、硫摻雜、硫摻雜為n型摻雜，矽摻雜為p型摻雜；和石墨烯薄膜摻雜的結果不同在於非金屬摻雜後，石墨烯薄膜的電導往往減小（歸咎於摻雜缺陷引起的遷移率下降），而石墨烯粉末的電導則往往增高（這是由於雖然一方面摻雜缺陷會引起遷移率下降，但是另一方面非金屬摻雜又將促進氧化還原石墨烯粉末的還原程度，進而提高遷移率）。