石墨烯基本知识课件

1、石墨烯王东2010年10月调研报告的主要内容石墨烯的基本知识石墨烯的研究进展晶圆级石墨烯本人对该项目的若干建议石墨烯的基本知识C元素的同素异形体 石墨（Graphite）层状结构，每一层中的碳按六方环状排列，上下相邻层通过平行网面方向相互位移后再叠置形成层状结构，位移的方位和距离不同就导致不同的多型结构。 金刚石（Diamond）四面体结构，四个碳原子占据四面体的顶点。石墨烯的基本知识 富勒烯（Fullerene）C60球棍模型 1985年，英国化学家哈罗德沃特尔克罗托博士和美国科学家理查德斯莫利等人在氦气流中以激光汽化蒸发石墨实验中首次制得由60个碳组成的碳原子簇结构分子C60。克罗托获得1

2、996年度诺贝尔化学奖。 随后又陆续发现C70等一系列由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球或椭球结构的共轭烯结构，以建筑学家富勒命名为富勒烯。石墨烯的基本知识 纳米碳管(Carbon Nanotube) 在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon Nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。 碳纳米管一般分为单壁(右上)和多壁（右下）两种。石墨烯的基本知识石墨烯的发现推翻了所谓“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由

3、存在”*的原有认知，震撼了整个物理界。因此其发现者A. K. Geim和K. S. Novoselov获得了2008年诺贝尔物理学奖的提名。 * Novoselov K S, Geim A K, Firsov A A. Science, 2004, 306:666-669.石墨烯的基本知识A. K. Geim和K. S. Novoselov已获2010年诺贝尔物理奖石墨烯的基本知识单层石墨烯富勒烯纳米碳管石墨A K Geim & K S Novoselov. Nature Materials, 2007, 6:183-191.石墨烯的基本知识石墨烯的稳定性 由于完美二维晶体不能在有限温度下稳定

4、存在，近期理论模拟和透射电镜实验结果给出了可能的解释，即石墨烯平面上存在纳米级别的微观扭曲。Nano Letters, 2009, 9(5): 2129-2132石墨烯在聚合物中的相变。a) 加热前；b) 加热后石墨烯的基本知识石墨烯的种类Single-layer Graphene(SG)Bi-layer Graphene(BG)Few-layer Graphene(FG)（层数95%石墨烯的研究进展材料生长方面SiC高温热分解后衬底转移 SiC衬底本身可以做到半绝缘，对于应用于高频电子器件的石墨烯，不需要衬底转移。但是，对于某些特殊应用，也可能需要将石墨烯从SiC衬底上转移到其它衬底。石墨烯

5、的研究进展CVD外延后衬底转移 由于CVD外延往往采用过渡族金属薄膜催化，而金属的导电性将影响石墨烯的导电性，因此对于电子器件，需要将石墨烯下方金属去除，将石墨烯转移到半绝缘衬底上。石墨烯的研究进展器件方面 石墨烯理论电子和空穴迁移率高达106cm2V-1s-1，2DEG密度1013cm-2，饱和漂移速度108cms-1等等，目前器件研究主要集中在射频器件和CMOS原型器件方面，对于射频器件，主要考虑器件的电流处理能力和跨导，对夹断特性要求低；CMOS器件重点解决带隙调控、NMOS和PMOS形成机制，界面对迁移率的影响等，初步实现了石墨烯CMOS器件原型和反相器电路。射频器件石墨烯的研究进展2

6、008年HRLSiC衬底，2英寸晶圆级石墨烯上制作FET，ALD沉积Al2O3作栅介质室温面电子浓度1013cm-2载流子迁移率1500cm2V-1s-11V偏置达到1180uA/um，5V3000uA/um，开关比4；栅长2um时，源漏偏压5V，最大截止频率4GHz，fmax14GHz2009年IBM微机械剥离迁移率400cm2V-1s-1栅长360nm，源漏电压1.6V时，电子和空穴跨导分别45和-35mS/mm，截止频率4GHz；栅长减小到160nm，截止频率达到26GHz，首次证明石墨烯器件截止频率fT1/LG2的关系石墨烯的研究进展2010年IBM优化Al2O3工艺，双栅载流子迁移率

7、达到2700cm2V-1s-1背栅电压-40V，顶栅电压1.6V，源漏电压0.8V是，350nm栅长器件截止频率50GHz2010年IBM采用poly-hydroxystyrene界面层，10nmHfO2为栅介质漏压1V时，栅长240nmFET跨导大于0.1mS/mm，截止频率100GHz美国DARPA预计2-3年内，石墨烯射频器件的频率可达500GHz，应用于极低功耗、极低噪声的系统中CMOS器件石墨烯的研究进展2008年美国斯坦福大学利用量子尺寸限制效应将石墨烯导带-价带拉开宽度5nm时实现带隙400meV的石墨烯纳米带室温下电流开关比大于105最近佐治亚理工大学采用SOG材料通过电子束辐

8、照时间的改变形成n型和p型石墨烯电子束能较高时形成p型电子束能较低时形成n型目前器件迁移率仅1500cm2V-1s-1，一般认为是由于工艺过程中的表面效应导致的；此外大多为n-MOS器件，而p-MOS研究尚未开展。如果用高迁移率石墨烯直接替代CMOS中的沟道，其工艺完全与现有工艺兼容，因此目前石墨烯器件都采用与CMOS兼容的工艺，转移到绝缘或半绝缘衬底上。实现CMOS电路的关键是提高石墨烯电流开关比。石墨烯的研究进展器件方面新器件探索2008年3月英国曼彻斯特大学与德国Max Planck Institute石墨烯单电子高速晶体管在室温下非常稳定的工作器件开启和关闭电压非常低同年4月同小组10

9、nm的石墨烯晶体管和长宽均为1个分子的单原子晶体管2008年5月美国佐治亚理工大学与麻省理工林肯实验室在单一芯片上制备了数百个石墨烯晶体管阵列晶圆级石墨烯研究晶圆级石墨烯的意义IC尺度进入纳米级，Si基COMS受到挑战石墨烯具有极特殊的性质石墨烯可与现有IC工艺兼容有可能替代Si材料，延续摩尔定律晶圆级层数可控的石墨烯材料及器件研究成为实现这一目标的关键晶圆级石墨烯From ISI晶圆级石墨烯晶圆级石墨烯研究受到各国重视美国国防先进技术研究局（DARPA）于 2007年公布了预算为三千万美元的射频应用的碳电子学（Carbon Electronics for RF Applications (C

10、ERA)）计划（BAA 07-50）。该计划的目标是实现晶圆级的石墨烯材料和超低功耗和超高速度的石墨烯基电子器件。2009年7月，德国研究基金会发布了名为“石墨烯”的优先研究计划，在石墨烯材料、机理和应用等方面开展广泛的研究。我国最近发布的重大科学研究计划也把碳基电子器件列为研究重点晶圆级石墨烯晶圆级石墨烯的研究重点超声辅助微机械剥离HOPG工艺SiC衬底高温热解层数的精确控制不同原子终止面的均匀性问题CVD外延提高均匀性缺陷控制衬底转移技术MOCVD法过渡族金属淀积技术晶圆级石墨烯目前研究进展超声辅助剥离工艺，未见相关文献报道机械剥离工艺Nanotechnology 19 (2008) 45

11、5601采用此工艺可得到大面积、平整的石墨烯，注意图中无缺陷的石墨烯面积100m2晶圆级石墨烯SiC衬底热分解 2009年，美国加州大学伯克利分校Konstantin等人报道晶圆级石墨烯SiC(0001)GrapheneLEEMAnnealed in ArLEEMNature Materials, 2009, 8(3):203207晶圆级石墨烯CVD外延 目前，采用Au、Ag、Pt、Cu、Fe、Co、Ni、Ir、Ru等过渡族金属催化CVD法制备石墨烯均有报道。但是，C与金属固溶量，制约着石墨烯的层数；而金属晶界缺陷则制约着石墨烯的面积。 对于Fe、Ni、Ir等C固溶量大的金属，如何精确控制层数

12、成为关键；而对于Pt、Cu等C固溶量小的金属则要进一步减小晶界对石墨烯均匀性的不利影响。 晶圆级石墨烯2009年美国Texas大学的Xuesong Li等人在25um厚的铜箔上，采用CVD的方法制备出直径300mm的石墨烯，其中单层石墨烯超过95%，并且克服了铜晶界影响实现大面积连续；双栅FET场致电子迁移率4050 cm2V-1s-1。SEM图样A 1minB 2.5minC 10minD 60minScience, 2009, 324(6): 1312-1314晶圆级石墨烯SAMSUNG晶圆级石墨烯2009年，美国Rutgers大学的Hisato Yamaguchi等人，采用spin co

13、ating的方法晶圆级石墨烯进展 已经突破大尺寸限制，层数在一定范围可控，成品率较高；存在问题 层数控制仍是难题，缺陷还需要进一步降低；今后发展 层数可控性，412英寸(CVD)，26英寸(SiC)；CMOS和高频器件；其它用途。个人对于石墨烯项目的思考关于石墨烯的研究重点相关设备(MOCVD) 石墨烯材料与GaN基宽带隙半导体材料有明显差异，由CVD外延拓展到MOCVD外延，对于设备提出更高的要求(精度、可控性)，尤其是过渡族金属的淀积和石墨烯的形成两个关键步骤的可控性。个人对于石墨烯项目的思考反应室结构设计 适合晶圆级石墨烯生长过渡族金属茂的选择 尽量选取C固溶度小的过渡族金属，比如Cu、

14、Pt等关键工艺 气压、流量、温度、升/降温速率等因素，直接影响石墨烯的均匀性和层数。个人对于石墨烯项目的思考Cu-C合金相图个人对于石墨烯项目的思考Fe-C合金相图个人对于石墨烯项目的思考Cr-C合金相图个人对于石墨烯项目的思考Ni-C合金相图个人对于石墨烯项目的思考Ir-C合金相图个人对于石墨烯项目的思考Ru-C合金相图个人对于石墨烯项目的思考Pt-C合金相图个人对于石墨烯项目的思考Au-C合金相图个人对于石墨烯项目的思考晶圆级石墨烯MOCVD或者CVD外延，是最有希望实现晶圆级石墨烯的途径之一，为实现层数精确控制，必须精心选择过渡族金属，主要关注其与C的固溶度，以及金属膜厚度的问题。从相图

15、中可以看出，Cu、Pt、Ir和Ru等金属与C在1000 左右的固溶度相对较小，相对于C固溶度较大的金属来说，其C的固溶量容易控制，而C的固溶量决定着外延的石墨烯厚度（层数）。个人对于石墨烯项目的思考理论方面 石墨烯的能带调整（Dirac点）、输运特性、光学和磁学性质等研究方向，我们不具优势。 但是，石墨烯的掺杂方面，也许可以进行一些探索。只是担心缺乏理论指导，只能进行工艺方面的探索。个人对于石墨烯项目的思考器件方面 结合我们的GaN基HEMT器件，石墨烯研究可以做两方面的工作：一是开展以石墨烯为沟道层的器件研制工作，此项工作要以带隙调制为基础；二是开展以石墨烯作为透明电极的研究工作。个人对于石墨烯项目的思考晶圆级石墨烯方面SiC高温热解 在现有研究基础上，进一步探索石墨烯的层数控制和缺陷抑制机制，实现3英寸晶圆级石墨烯CVD外延(包括MOCVD) 探索提高均匀性、层数精确控制的机理，特别是结合1课题，实现4英寸以上晶圆级石墨烯个人对于石墨烯项目的思考石墨烯的其它应用方面的探索传感器晶体管发光器件？太赫兹光伏 因为石墨烯是新材料，随着研究的深入，是否存在新的研究方向和应用前景，必须加以关注。个