石墨烯制备掺杂及其运用

1、静思笃行 持中秉正 秋记与你分享 Center for THz Research China Academy of Engineering Physics ID 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 静思笃行 持中秉正 秋记与你分享 Nano Lett., 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

2、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 Scientific Reports 2011 3,Article number:1148 doi: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

3、, 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

4、 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 Y Wang, Y Zheng, X F Xu et al. ACS Nano, 2011, 5 (12): 99279933 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 Y Wang, Y Zheng, X F Xu et al. ACS Nano, 2011, 5 (12): 992

5、79933 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 T Yoon, W C Shin, T Y Kim et al. Nano Lett., 2012, 12 (3): 14481452 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（

6、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-Eext Bokdam, M., et al., Electrostatic Doping of Graphene through Ultrathin Hexagonal Boron Nitride Films. Nano Letters, 2011. 11(11): p. 4631-

7、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(NH3BH3)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., et al. Chemical Doping of Graphene Nanoribbon Field-Effect Devices. in Device

8、 Research Conference, 2008. 2008. Santa Barbara, 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., et al., High-Frequency Behavior of Graphene-Based InterconnectsP

9、art I: Impedance Modeling. Electron Devices, IEEE Transactions on, 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

10、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., et al. Chemical Doping of Graphene Nanoribbon Field-Effect Devices. in Device Research Conference, 2008. 2008. Santa Barbara, 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

11、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

12、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

13、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 纳米孔的直径是1.5nm， 相当于35个正六边形单元。 Holes with an edge NATURE 2010 SiN的纳米孔孔腔长度远大于 两碱基之间距离，分辨率低 石墨烯其他石墨烯其他运用运用用于用于DNA测序测序 静思笃行 持中秉正 秋记与你分享 石墨烯其他石墨烯其他运用运用太赫兹调制器太赫兹调制器 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-Rodriguez B, Rusen Y, Lei