零帶隙

零帶隙是指禁頻寬度為零。帶隙是導帶的最低點和價帶的最高點的能量之差，帶隙越大，電子由價帶被激發到導帶越難，本徵載流子濃度就越低，電導率也就越低。

石墨烯在未來微電子學領域有極大的套用前景，但是其零帶隙的特點阻礙了石墨烯在半導體領域的套用。

基本介紹

• 中文名：零帶隙
• 外文名：Zero band gap
• 一級學科：工程技術
• 二級學科：自旋電子學
• 帶隙：導帶最低點和價帶最高點能量之差
• 特點：禁頻寬度為零

定義

零帶隙是指禁頻寬度為零。

禁頻寬度

帶隙是導帶的最低點和價帶的最高點的能量之差。也稱能隙。帶隙越大，電子由價帶被激發到導帶越難，本徵載流子濃度就越低，電導率也就越低。

禁帶寬度（Band gap）是指一個帶隙寬度（單位是電子伏特(ev)），固體中電子的能量是不可以連續取值的，而是一些不連續的能帶，要導電就要有自由電子或者空穴存在，自由電子存在的能帶稱為導帶（能導電），自由空穴存在的能帶稱為價帶（亦能導電）。被束縛的電子要成為自由電子或者空穴，就必須獲得足夠能量從價帶躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁頻寬度。

零帶隙半導體材料-石墨烯

石墨烯是一種由碳原子周期性排列而成的具有六角型蜂窩狀晶格結構的二維材料，是只有一個碳原子厚度的平面薄膜，石墨烯的發現為探索低維電子系統的輸運和相互作用，建立量子相干碳基納米電子器件，探測“帶電中微子”的高能物理特性開闢了新的途徑。

通過能帶計算表明，導帶與價帶剛好交於第一布里淵區的六個頂點，即狄拉克點。由此可知，石墨烯是一種零帶隙半導體材料。如圖所示，導帶被空穴占據，近乎空帶；價帶被電子占據，近乎滿帶，二者相互連通。

石墨烯的能帶結構

帶隙與隧穿曲線

隧穿對應的入射角度.隨著磁場強度的增加，隧穿峰向負角度方向移動，因此隧穿曲線不再關於角度對稱。造成這一現象的原因是當漸消失態出現於磁場區域，並且當漸消失態的衰減長度小於矢量勢寬度時，隧穿很弱。隨著帶隙寬度的增加，隧穿峰數保持不變或減少，且隧穿幾率不為零區域逐漸變小，這說明帶隙能夠抑制隧穿.當偏壓為零時，對於零帶隙或較小的帶隙而言，隧穿幾率曲線出現一些尖銳的角度共振峰；對於較大的帶隙而言，隧穿幾率近乎為零。當偏壓不為零時，在零帶隙或帶隙較小情況下，尖銳的角度共振峰的振幅減小了；在帶隙較大情況下，仍然有一些明顯的隧穿峰出現。還可以發現，在電場下，當磁場強度為零帶隙不為零時隧穿曲線不再關於角度對稱，這是由帶隙和偏壓間的共同作用導致的。

帶隙調控

由於自身優異的電學性質和機械性能，石墨烯已成為後摩爾時代替代矽的候選材料之一，但是想要成功替代矽成為未來的微電子材料，還需進行長期深入的研究。其中一個重要的阻礙因素便是石墨烯本身沒有帶隙（零帶隙特性），本徵石墨烯的導帶和價帶相交於布里淵區，能帶難以打開，不能在半導體領域直接套用。因此，如何打開和調控石墨烯的帶隙成為研究的一個熱點領域。

石墨烯帶隙的打開方法主要有：1)通過吸附或摻雜其他元素，在導帶和價帶之間引入能隙；2)利用對稱性破缺，通過破壞雙層石墨烯的對稱性實現帶隙的打開；3)利用量子限制效應和邊緣效應，通過製作特殊的石墨烯納米結構來形成帶隙； 4)其他方式，如襯底調控、應力調控等。總體來說，吸附其他元素的方法可以在不破壞石墨烯原本晶格結構的情況下引入帶隙，但該調控方式所吸附的化學基團不穩定，易受到溫度或真空度的影響而發生解吸附，導致帶隙消失。摻雜其他元素是一種最直接打開石墨烯帶隙的方式，且通常摻雜石墨烯得到的帶隙要大於製備石墨烯納米結構得到的帶隙，但是摻雜後石墨烯的穩定性與摻雜的基團種類有關，有可能隨著環境的變化而發生解吸附，同時，在實際操作中很難精確地控制摻雜的位置及濃度。對稱破缺主要是利用外加電場選擇性地控制雙層石墨烯層的載流子濃度，從而調控石墨烯狄拉克點附近的能帶結構.施加外加電場的方法可以避免在石墨烯中引入雜質，但是因為只有在上下層間存在電勢差的情況下才可以引入帶隙，一旦電場消失，帶隙也會馬上消失。因此，吸附、摻雜及對稱破缺的方法對石墨烯帶隙調控的精度及穩定性較差，而利用量子限制效應和邊緣效應引入帶隙，主要是通過特殊的圖形化石墨烯納米結構實現石墨烯帶隙的調控，能夠穩定地存在，而且可以通過調節納米結構的尺寸來調控石墨烯帶隙的大小。