石墨烯制备掺杂及其运用

静思笃行持中秉正秋记与你分享石墨烯的制备掺杂和应用CenterforTHzResearchChinaAcademyofEngineeringPhysicsID静思笃行持中秉正秋记与你分享主要内容石墨烯背景简介石墨烯热门制备方法石墨烯掺杂简介全石墨烯单片逻辑电路石墨烯其他运用静思笃行持中秉正秋记与你分享石墨烯背景石墨烯（Graphene）是由SP2杂化单层碳原子构成的二维平面晶体。它的厚度仅为0.34nm。石墨烯的原胞由两个碳原子组成。静思笃行持中秉正秋记与你分享•极高的迁移率：μ=15000~20000𝑐𝑚2𝑉−1𝑠−1(常温)；极高的饱和速率；•优良的机械性能；•良好的热导率和透光性；•良好的导电性；•单层，极薄；NanoLett.,DOI:10.1021/nl204414u石墨烯的物理特性静思笃行持中秉正秋记与你分享主要内容石墨烯背景简介石墨烯热门制备方法石墨烯掺杂简介全石墨烯单片逻辑电路石墨烯其他运用静思笃行持中秉正秋记与你分享石墨烯热门制备方法机械剥离碳化硅外延生长法CVD法静思笃行持中秉正秋记与你分享机械剥离机械剥离：具有过程简单,产物质量高的优点,所以被广泛用于石墨烯本征物性的研究,但产量低,难以实现石墨烯的大面积和规模化制备。高定向热解石墨（HOPG）静思笃行持中秉正秋记与你分享碳化硅外延生长法ScientificReports20113,Articlenumber:1148doi:10.1038/srep01148利用硅的高蒸汽压，在高温(大于1400℃)和超高真空(小于10-6Pa)条件下，使硅原子挥发,剩余的碳原子通过结构重排在SiC表面形成石墨烯层。•可获得大面积的单层石墨烯，质量较高；•单晶SiC的价格昂贵，生长条件苛刻，且生长出来的石墨烯难以转移。采用成本低廉的无定形SiC取代昂贵的晶体SiC作为石墨烯的前驱体，结合成熟的氯化技术(chlorination)，首次提出了一种通过无定形SiC氯化法合成石墨烯的方法。静思笃行持中秉正秋记与你分享利用甲烷等含碳化合物作为碳源,通过其在基体表面的高温分解生长石墨烯(a)渗碳析碳机制(b)表面生长机制示意图•石墨烯质量很高,可实现大面积生长；•较易于转移到各种基体上使用；•广泛用于制备石墨烯晶体管和透明导电薄膜,目前已逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法；•利用电化学（PMMA）、腐蚀和机械分离等办法转移石墨烯。CVD法YWang,YZheng,XFXuetal.ACSNano,2011,5(12):9927~9933静思笃行持中秉正秋记与你分享针对CVD法生成的石墨烯的转移腐蚀基体法电化学转移技术机械剥离技术静思笃行持中秉正秋记与你分享聚甲基丙烯酸甲酯PMMA腐蚀基底法静思笃行持中秉正秋记与你分享YWang,YZheng,XFXuetal.ACSNano,2011,5(12):9927~9933将PMMA旋涂在石墨烯Cu上，该结构作阴极，碳棒作阳极，0.05mmol/L的𝐾2𝑆2𝑂8（过硫酸钾）为电解质𝐻2提供持续的力使石墨烯与Cu分离电化学作用腐蚀Cu金属残留电化学转移技术静思笃行持中秉正秋记与你分享环氧树脂与石墨烯之间强的作用力提出了一种无刻蚀可重复生长转移单层石墨烯的方法TYoon,WCShin,TYKimetal.NanoLett.,2012,12(3):1448~1452机械剥离技术静思笃行持中秉正秋记与你分享主要内容石墨烯背景简介石墨烯热门制备方法石墨烯掺杂简介全石墨烯单片逻辑电路石墨烯其他运用静思笃行持中秉正秋记与你分享石墨烯掺杂简介静电掺杂（最具优势）缺陷掺杂表面转移掺杂插入掺杂静思笃行持中秉正秋记与你分享静电掺杂1.结构：在底层铜（111晶面）+hBN（六边形）—顶层石墨烯。2.结论：用该种方法可以实现石墨烯掺杂得益于铜和石墨烯之间有势垒差，导致在Cu|BN和BN|石墨烯界面出现电荷移动，同时掺杂水平会随着h-BN层厚度变薄而变高。如果给予外界电场将会改变电子流向，改变费米能级脱离零点，抬高和降低从而实现pn型变化。Vg∝-EextBokdam,M.,etal.,ElectrostaticDopingofGraphenethroughUltrathinHexagonalBoronNitrideFilms.NanoLetters,2011.11(11):p.4631-4635.静思笃行持中秉正秋记与你分享缺陷掺杂采用CVD的方式，在有h-BNC的容器中通入甲烷和氨气可以形成(NH3–BH3)分子团，在Cu基片催化下调节输入甲烷和氨气的比例就可以实现NP型电学特性。（P型常用）在氧化石墨烯（GO）中通入氨气，900℃退火，制造处类似于AB的缺陷，N掺杂石墨烯综合了电弧方法制造石墨烯和氨等离子处理石墨烯，该方法是化学掺杂中比较有前途的方式。（N型常用）Yu-Ming,L.,etal.ChemicalDopingofGrapheneNanoribbonField-EffectDevices.inDeviceResearchConference,2008.2008.SantaBarbara,CA.静思笃行持中秉正秋记与你分享插入掺杂1.结构：利用加速器将需要注入的掺杂等离子注入石墨烯中，注入粒子会代替碳的位置，从而实现P型N型掺杂。2.当离子质量数增加，掺杂在石墨烯中的离子的比例也增加了，这意味着离子束能量和剂量相同的情况下，质量越大的离子越容易掺杂进石墨烯中。3.能量越高，对石墨烯损伤越大。Sarkar,D.,etal.,High-FrequencyBehaviorofGraphene-BasedInterconnects—PartI:ImpedanceModeling.ElectronDevices,IEEETransactionson,2011.58(3):p.843-852.静思笃行持中秉正秋记与你分享表面转移掺杂在SiC基板上放置石墨烯，同时在石墨烯上覆盖强吸收电子材料（比如F4-TCNQ-和F4-TCNQ0，TCNE或是TPA等）在同步高分辨率光电子发射激光中将外延层石墨烯制备成p型，石墨烯中的空穴浓度取决于材料F4-TCNQ的面积。如果选用石墨烯的SiC和SiO2基片，石墨烯本身就表现出N型，在不同的气体中可以石墨烯导电率有不同的形式，其中氨气跟石墨烯具有更好的吸附性，对于掺杂后的石墨烯在20k超高真空条件（UHV）下实验得到导电率随Vg改变明显。Yu-Ming,L.,etal.ChemicalDopingofGrapheneNanoribbonField-EffectDevices.inDeviceResearchConference,2008.2008.SantaBarbara,CA静思笃行持中秉正秋记与你分享主要内容石墨烯背景简介石墨烯热门制备方法石墨烯掺杂简介全石墨烯单片逻辑电路石墨烯其他运用静思笃行持中秉正秋记与你分享全石墨烯单片逻辑电路1.全石墨烯电路，大幅降低互联电阻2.电路静态性能优于22nmCMOS性能：供电压，静电噪声限容和功耗；3.P+-i-N和P-i-N+石墨烯遂穿三极管结构；4.沟道采用纳米带；5.理论计算采用紧束缚和非平衡格林方程；电路特点静思笃行持中秉正秋记与你分享1.选择P+-i-N和P-i-N+石墨烯遂穿三极管结构因为提高开关电流比至1.6e3；2.当加入栅极电压使得能级Ev.pEe,i发生遂穿；3.调节源漏极掺杂势垒可以控制晶体管开关性能以及栅极开关电压；单管工作原理电路开关电压和PN掺杂以及石墨烯带能级Eg关系：静思笃行持中秉正秋记与你分享当EF,N高于导带能级，P+-i-N和P-i-N+石墨烯遂穿三极管互连有导通窗口；互连工作原理VF和N型参杂影响传输线的I-V特性，从而影响互连石墨烯到点性能；静思笃行持中秉正秋记与你分享双管工作原理对于文章中设计的串联晶体管，无论输入高地电平，仅有一个三极管能正常工作。当输入高电平时能带变化如图a，输出0，如果输入0，则得到-eVDD。静思笃行持中秉正秋记与你分享仿真结果输出电流和静态电流之比始终保持在1e3量级；静态噪声容量和反转特性都优于22nmCMOS电路。静思笃行持中秉正秋记与你分享主要内容石墨烯背景简介石墨烯热门制备方法石墨烯掺杂简介全石墨烯单片逻辑电路石墨烯其他运用静思笃行持中秉正秋记与你分享ACTGTGCACTGATGCAGAGGSiNssDNA10-500nm纳米孔的直径是1.5nm，相当于35个正六边形单元。HoleswithanedgeNATURE2010SiN的纳米孔孔腔长度远大于两碱基之间距离，分辨率低石墨烯其他运用——用于DNA测序静思笃行持中秉正秋记与你分享石墨烯其他运用——太赫兹调制器1.宽带调制具有调制深度高，损耗小的特点。2.通过施加一个电压两者之间的电容耦合的石墨烯层，在每一层中的相反类型的载流子积累，从而改变太赫兹透射率，实现导电性调制。Sensale-RodriguezB,RusenY,LeiL,etal.GrapheneforReconfigurableTerahertzOptoelectronics[J].ProceedingsoftheIEEE.2013,101(7):1705-1716.静思笃行持中秉正秋记与你分享总结石墨烯电性能优异大规模制备存在问题有很好的运用前景大量器件仍在仿真阶段。。。。。静思笃行持中秉正秋记与你分享THANKYOU！