發(fā)布時間：2020-11-15 07:16

　　 石墨烯是一種具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維原子晶體,具有新奇的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)特性,在場效應(yīng)晶體管、太陽能電池和柔性透明電極等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。因此,石墨烯在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用上都有十分重要的意義。為滿足科研和應(yīng)用的需求,人們采用多種方式合成高質(zhì)量、大面積的石墨烯。然而,合成的大面積石墨烯通常具有多晶特性,晶界會對載流子產(chǎn)生強烈的散射作用,從而降低石墨烯整體的電導(dǎo)率、遷移率,制約了石墨烯在電子電路領(lǐng)域的應(yīng)用。為了研究石墨烯的輸運性質(zhì),需要將合成的石墨烯轉(zhuǎn)移至絕緣襯底,并采用微加工技術(shù)將石墨烯制成器件,以便連接宏觀測量設(shè)備。微加工過程不可避免地引入污染,并最終改變石墨烯本征的輸運性質(zhì)。四探針掃描隧道顯微鏡(STM)同時兼容高精度掃描定位和標準的四端輸運測試方式,可以快速地對石墨烯等二維材料的形貌和輸運性質(zhì)進行原位表征,為納米科學(xué)研究提供了強有力的平臺支撐。本論文的主要工作是對一臺商用超高真空(UHV)四探針STM的徹底改造,并利用改進后的四探針系統(tǒng)對化學(xué)氣相沉積(CVD)法合成的單晶和多晶石墨烯進行了形貌和輸運等物性的研究。本文的第一部分是對一臺商用UHV四探針STM系統(tǒng)的徹底改造。國際上第一代商業(yè)化UHV四探針STM系統(tǒng)是由科研儀器制造商德國OMICRON公司所生產(chǎn)。然而,作為世界上最早的商用化多探針系統(tǒng)(型號:UHV Nanoprobe),其在實際應(yīng)用中無法有效地對納米體系進行原位形貌與輸運研究。針對商用系統(tǒng)所存在的噪音大、溫漂顯著、分辨率低等問題,將該系統(tǒng)進行了多方位的全面改造,包括減振與磁阻尼、掃描結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱連接與熱屏、分時復(fù)控電路單元、掃描電鏡的替換等。同時,還介紹了加熱除氣臺、信號線等方面的改進。經(jīng)過此次改造,從根本上解決了系統(tǒng)信噪比、機械和溫度穩(wěn)定性、成像分辨率以及降溫等方面的問題。第二部分的主要工作是采用四探針法測量毫米尺寸單晶石墨烯的電阻率與遷移率。利用改造后的四探針STM系統(tǒng),對CVD方法生長在銅箔上的石墨烯進行形貌的表征,證實了石墨烯的連續(xù)性,并對轉(zhuǎn)移到SiO_2/Si襯底上的毫米尺寸單晶石墨烯進行了輸運測試。根據(jù)van der Pauw構(gòu)型,獲得了整片石墨烯的電導(dǎo)率和遷移率,表明該單晶石墨烯片在不同方向具有相同的輸運性質(zhì)。然而,該石墨烯的局域輸運性質(zhì)與整體的性質(zhì)存在較大差別。這些差異是由于該單晶石墨烯片上局域分布著石墨烯褶皺、殘余物以及多層石墨烯島,影響了石墨烯的局域輸運性質(zhì),但是這些因素的存在并未影響整片石墨烯的性質(zhì)。第三部分工作是利用改造后的四探針STM系統(tǒng)研究SiO_2/Si襯底上多晶石墨烯的輸運性質(zhì)。該研究工作主要集中在轉(zhuǎn)移到SiO_2/Si襯底上的雙晶石墨烯,從而保證所測量石墨烯晶界的唯一性。利用四探針法,無損地測量了雙晶石墨烯兩側(cè)晶疇以及跨晶界的二維電阻。為了獲得石墨烯晶界的電阻率,建立了晶界擴展模型,能夠很好地擬合出不同載流子濃度下的晶界電阻率。另外,這一模型也適用于石墨烯褶皺的輸運測量。根據(jù)Drude輸運模型,獲得了石墨烯晶界和褶皺處的載流子遷移率。結(jié)果表明石墨烯晶界處遷移率比本征石墨烯低三到四個數(shù)量級,而褶皺處的遷移率約為本征石墨烯的1/6~1/5。本工作拓展了人們對石墨烯晶界/褶皺處本征電子輸運特性的認識,顯示了四探針STM系統(tǒng)在研究缺陷等微觀結(jié)構(gòu)特性對材料輸運性質(zhì)的影響方面具有獨特優(yōu)勢,也為其他二維材料晶界的輸運性質(zhì)表征提供了可行的方法。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH742;O613.71
【部分圖文】：

圖 1.1 隧穿效應(yīng)。圖 (a)引自[5]。學(xué)的基本原理[6]，其隧穿模型可以簡化為求解一維薛2 22( )2mdU z Edz ， 的波函數(shù)，EΨ為能量本征值，U(z)是圖 1.1 (b)和(c)所00 0( ) 00ZU z E Z WZ W 。 1.2)可求得在勢壘區(qū)（0≤Z≤W），電子的波函數(shù)為：( ) (0)zz e ， 常數(shù)，描述電子在+Z 方向的衰減狀態(tài)，其表達式為

0 陣元 M 的幅值在感興趣的范圍內(nèi)沒有明顯尖 DOS 的卷積：0( ) ( )eVs f t fI E eV E d 。通常選取具有自由電子的金屬針尖或者具有( )s fdIE eVdV 。 的基本原理[6]，配合 STM 超高的空間分辨率子結(jié)構(gòu)信息，例如，樣品表面不同層次的態(tài)化以及能隙結(jié)構(gòu)等信息。而且，在實際操作放大技術(shù)，用來提高信噪比。

他們又發(fā)現(xiàn)外加電場能夠使壓電材料發(fā)生相應(yīng)的形變，稱之為逆壓電效應(yīng)（如圖1.3 (d-f)）[8]。除了在電場方向發(fā)生形變，壓電材料也會在橫向上發(fā)生一定的應(yīng)變。此外，對于具有自發(fā)極化的壓電材料，在其極化方向的法向施加電場則會使其發(fā)生剪切應(yīng)變（如圖 1.3 (g)）[9]。
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 Yuanfang Yu;Zhenzhen Li;Wenhui Wang;Xitao Guo;Jie Jiang;Haiyan Nan;Zhenhua Ni;;Investigation of multilayer domains in large-scale CVD monolayer graphene by optical imaging[J];Journal of Semiconductors;2017年03期

2 曾健;劉杰;張勝霞;翟鵬飛;姚會軍;段敬來;郭航;侯明東;孫友梅;;Irradiation effects of graphene and thin layer graphite induced by swift heavy ions[J];Chinese Physics B;2015年08期

本文編號：2884493