隨著電子設(shè)備不斷提出微型化、集成化、低功耗的要求,器件的量子力學(xué)效應(yīng)不斷增加,單純靠減小硅基半導(dǎo)體器件尺寸已無(wú)法滿足集成電路的發(fā)展趨勢(shì),石墨烯等碳納米結(jié)構(gòu)成為發(fā)展新一代高可靠性、高性能微納器件的材料研究熱點(diǎn)。本文中利用微納加工技術(shù)制備了石墨烯三端彈道結(jié)(three-terminal ballistic junction:TBJ)器件。由電子束曝光(electron-beam lithography:EBL)繪制,并用電感耦合等離子體(inductively coupled plasma:ICP)刻蝕得到一系列不同尺寸的T型三端彈道結(jié)。再通過(guò)EBL繪制源漏電極,并用電子束蒸發(fā)(electron beam evaporation:EBE)沉積5/90-nm Ti/Au層形成歐姆接觸,研究其非線性彈道輸運(yùn)性質(zhì)。進(jìn)一步地,將TBJ與量子點(diǎn)接觸(quantum point contact:QPC)耦合實(shí)現(xiàn)邏輯功能。此外,通過(guò)溶液沉積方法制作了石墨烯-PbS膠體量子點(diǎn)(colloidal quantum dot:CQD)復(fù)合器件,研究其光電響應(yīng)與電輸運(yùn)。博士論文的主要研究?jī)?nèi)容總結(jié)如下:(1)研究了石墨烯TBJ器件的非線性電荷輸運(yùn)特性。石墨烯TBJs具有室溫整流特性,即在電子輸運(yùn)區(qū),TBJs左右兩端施加推挽式偏壓:VL=V,FR=-V時(shí),中間端輸出電壓VC總是負(fù)值(空穴輸運(yùn)區(qū),則FC為恒正),與F的二次方呈依賴關(guān)系。整流系數(shù)aα,即拋物線型輸出電壓曲線的曲率,由柵極電壓有效調(diào)控,表現(xiàn)出與輸運(yùn)載流子極性的依賴性,與零偏壓下石墨烯的電化學(xué)勢(shì)μF成反比。與熱電測(cè)量相比,石墨烯TBJs的非線性輸運(yùn)測(cè)量為研究石墨烯納米器件的電子結(jié)構(gòu)和電荷態(tài)提供了一種簡(jiǎn)單的純電學(xué)方法。當(dāng)左右兩端施加無(wú)直流偏置的異相交流電壓時(shí),對(duì)稱的TBJs可作為整流器和二次諧波發(fā)生器。(2)石墨烯三端彈道結(jié)的整流電壓FC與費(fèi)米能級(jí)處電導(dǎo)的導(dǎo)數(shù)有關(guān)。VC關(guān)于柵壓Vg依賴關(guān)系中的峰-谷結(jié)構(gòu)與歸一化跨導(dǎo)(1/G)dG/d Vg隨Vg變化的曲線具有相同的形狀,正負(fù)極值和極性反轉(zhuǎn)點(diǎn)都一致。對(duì)于載流子不均勻分布的TBJs,非線性柵控電壓曲線Fc-Vg顯示出清晰的雙峰結(jié)構(gòu)。對(duì)于不均一性和散射機(jī)制的探測(cè),非線性電壓信號(hào)要比電阻的測(cè)量敏感得多。結(jié)果表明,石墨烯TBJs可作為納米電子學(xué)的新型構(gòu)建單元,也可作為研究納米級(jí)石墨烯材料性能的新型器件。(3)制備了石墨烯三端彈道結(jié)與量子點(diǎn)接觸的復(fù)合功能器件。TBJ的中間支作為側(cè)柵調(diào)控QPC。在電子輸運(yùn)區(qū),只有當(dāng)所加直流電壓都為正時(shí),中間端輸出電壓取得正值,(將正電壓看作是數(shù)字電路中的二進(jìn)制1),TBJ實(shí)現(xiàn)與門(mén)邏輯。與QPC(反相器)耦合實(shí)現(xiàn)與非門(mén)。在空穴輸運(yùn)區(qū),TBJ實(shí)現(xiàn)或門(mén)邏輯,與QPC(放大器)耦合實(shí)現(xiàn)或門(mén)。低溫下觀測(cè)到因量子振蕩引起的邏輯反轉(zhuǎn)。在柵極調(diào)控下,TBJ/QPC級(jí)聯(lián)器件能實(shí)現(xiàn)任意邏輯,為全碳邏輯電路的構(gòu)建奠定了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。(4)制作了石墨烯-PbS膠體量子點(diǎn)復(fù)合光電探測(cè)器,測(cè)量了其光電響應(yīng)特性。在激光脈沖照射下,經(jīng)PbS量子點(diǎn)修飾的石墨烯FETs的電阻呈現(xiàn)開(kāi)關(guān)式變化。將石墨烯溝道電阻的光誘導(dǎo)變化ΔRph定義為光響應(yīng)信號(hào),其幅值和符號(hào)可通過(guò)背柵電壓來(lái)調(diào)控,與石墨烯轉(zhuǎn)移特性曲線的導(dǎo)數(shù)有關(guān)。建立一個(gè)極性依賴載流子的轉(zhuǎn)移模型來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果,量子點(diǎn)中一種電荷極性的光致載流子轉(zhuǎn)移到石墨烯上,導(dǎo)致量子點(diǎn)中電荷極性相反的載流子聚集,從而改變石墨烯中載流子的密度,稱之為:光誘導(dǎo)柵控效應(yīng)。利用激光束有效地調(diào)制石墨烯層的電學(xué)性質(zhì),為研究石墨烯的輸運(yùn)性質(zhì)提供了一種額外的光學(xué)調(diào)控手段。(5)低溫下,由于CQDs引入了散射勢(shì),復(fù)合器件的磁電導(dǎo)在低磁場(chǎng)和高磁場(chǎng)量子霍爾區(qū)都呈現(xiàn)較強(qiáng)的Aharonov-Bohm(AB)型振蕩,依據(jù)量子振蕩可估算出散射勢(shì)的橫向尺寸。FCQD與石墨烯中載流子耦合增強(qiáng)了谷間散射和弱局域化效應(yīng)。電導(dǎo)隨溫度的降低而減小,在30 K以下,與溫度呈對(duì)數(shù)依賴關(guān)系。利用石墨烯中載流子對(duì)靜電環(huán)境敏感的特性,石墨烯-PbS CQDs復(fù)合器件為研究二維材料量子相干器件提供了新的更為靈活的體系。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN04
【部分圖文】：

體的最基本元素，是人類認(rèn)識(shí)并利用最早的元素之一。碳單質(zhì)是迄今發(fā)現(xiàn)的唯一一種從??零維到三維都穩(wěn)定存在的物質(zhì)。二維的石墨烯（ｇｒａｐｈｅｎｅ）是構(gòu)成碳材料其他同素異形??體的基本結(jié)構(gòu)單元，如圖１．１所示，石墨稀可堆疊成三維的石墨（ｇｒａｐｈｉｔｅ）；可卷曲成??一維的碳納米管（ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）；可纏繞成零維的富勒烯（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ）?［１］，具有優(yōu)??良的電學(xué)性質(zhì)，有望成為下一代電子器件的基礎(chǔ)材料。??＿％％譽(yù)??圖１．１零維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯、三維石墨［１］??Ｆｉｇ．?１．１?Ｚｅｒｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ，?ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，?ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ??ｇｒａｐｈｅｎｅ?ａｎｄ?ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｇｒａｐｈｉｔｅｆ１］．??石墨烯是碳原子以ｓｐ２雜化軌道緊密堆積成二維六角蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的薄膜，是目??前世界上最薄也是最堅(jiān)硬的納米材料，厚度只有０．３３５?ｎｍ，機(jī)械強(qiáng)度卻超出鋼鐵數(shù)十倍，??楊氏模量五＝１?ＴＰａ、三階彈性剛度Ｄ?＝?－２?ＴＰａ，斷裂強(qiáng)度〇?＝?１３０?ＧＰａｌ２］，是電子傳輸??基底的最佳選擇。石墨煉導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)５３００?ｗ／（ｎｒＫ）［３］，高于碳納米管和金剛石，但其??電阻率比銅和銀還低

反復(fù)粘貼薄的石墨片以減少層數(shù)，對(duì)比粘貼次數(shù)對(duì)石墨烯質(zhì)量的影響，選取合適粘貼次??數(shù)膠帶上最佳石墨烯結(jié)構(gòu)用丙酮浸沒(méi)，再轉(zhuǎn)移到Ｓｉ／Ｓｉ０２襯底上。這一系列過(guò)程見(jiàn)圖??２．１（ａ）［８６］。迄今為止本人撕出的單層石墨烯最大長(zhǎng)度為３０?ｐｍ，見(jiàn)圖２．１（ｂ）。??２．３石墨烯的表征??２．３．１顯微鏡光學(xué)襯度法??選擇合適厚度的襯底對(duì)于光學(xué)表征石墨烯起著至關(guān)重要的作用，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)內(nèi)，??石墨烯與襯底對(duì)比度最大有利于觀察。當(dāng)附有氧化層襯底上的石墨烯被光照射時(shí)，因?yàn)??石墨烯薄片透明度大，一部分光透過(guò)石墨烯進(jìn)到氧化層中再反射，這與石墨烯表面的反??射光形成一個(gè)光程差，襯度隨著氧化層厚度和入射光波長(zhǎng)的不同而不同，見(jiàn)圖２．２?（ａ）［８７］。??不同氧化層的厚度以及入射光波長(zhǎng)下石墨烯在二氧化硅下的光學(xué)照片與襯度對(duì)比，見(jiàn)圖??２．２?（ｂ）。此外，藍(lán)光下用５０?ｎｍ?Ｓｉ３Ｎ４作襯底或白光下用９０?ｎｍ?ＰＭＭＡ作襯底等方法，??都容易分辨出石墨烯。??－１３?－??

針尖和樣品間的作用力是微懸臂的力常數(shù)與形變量之積。用一束激光照射在懸臂??末端，反射光斑的位置隨擺動(dòng)而改變，探測(cè)器記錄偏移量并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可描繪??出樣品的表面形貌，探針工作原理見(jiàn)圖２．３（ａ）。ＡＦＭ工作模式不同，應(yīng)用范圍不同，見(jiàn)??表２．１。據(jù)此我們選用的儀器是Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ?３１００，另超凈室里還有個(gè)不能定位測(cè)試器件??的?ｍｕｌｔｉ－ｍｏｄｅ?Ｖ。??ＡＦＭ技術(shù)能精確地辨別石墨薄片層數(shù)，單層石墨稀厚度通常在０．３３５?ｒｎｎ，不同層??數(shù)的石墨烯在ＡＦＭ表征圖中能清晰地看到高度平臺(tái)與梯度。ＡＦＭ除了表征，還可以做??微納加工，在納米尺度上定位構(gòu)建各種結(jié)構(gòu)，如Ｄｉｐ－ｐｅｎ?ｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ?（蘸筆刻蝕）。??圖２．３?（ｂ）是本人制備的石墨烯邏輯門(mén)器件的ＡＦＭ圖。??－１４?－??
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本文編號(hào)：2854503