石墨烯和LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)界面是兩種具有代表性的新興二維電子系統(tǒng)。兩者都具有豐富的物性,并且這些物性可以便捷地被電場(chǎng)所調(diào)控。由于兩者均對(duì)各自的表面環(huán)境非常敏感,可以期待在兩者組成的復(fù)合體系中,原有物性將被彼此通過(guò)近鄰效應(yīng)顯著地調(diào)節(jié),同時(shí)可能產(chǎn)生單一體系中無(wú)法具備的新穎物性。此外,該復(fù)合體系也是研究這兩種性質(zhì)迥異的二維電子系統(tǒng)之間相互作用的極佳平臺(tái)。在本論文中,我們利用這種復(fù)合體系,對(duì)石墨烯的量子輸運(yùn)特性以及石墨烯與LaAlO3/SrTiO3界面之間的層間相互作用進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容如下:1、LaAlO3/SrTiO3襯底上的石墨烯中顯著增強(qiáng)的量子霍爾效應(yīng)魯棒性研究。通過(guò)利用5層的LaAlO3作為天然的背柵介電層,我們實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.59μF/cm2的超大柵極電容,這使石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)器件的操作電壓顯著減低。進(jìn)一步地,我們?cè)谙鄬?duì)寬松的條件下實(shí)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng),例如,1.5 K/1.5 T以及150K/7 T。顯著增強(qiáng)的量子霍爾效應(yīng)魯棒性歸功于LaAlO3/SrTiO3對(duì)石墨烯中多種散射過(guò)程的有效抑制�；诖�,該復(fù)合結(jié)構(gòu)可以用于發(fā)展寬松條件下的量子霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)。2、源于超大柵極電容... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１?（ａ）石墨烯的蜂巢結(jié)構(gòu)與（ｂ）布里淵區(qū)

中剝離，得到均勻分??散的氧化石墨烯薄片。通過(guò)旋涂等方法可以將薄片轉(zhuǎn)移至目標(biāo)襯底上，再利用加??熱或化學(xué)還原法去除親水基團(tuán)，最終獲得石墨烯薄膜［４０］。由于經(jīng)歷氧化還原過(guò)??程，石墨烯晶格完整性將受到破壞，且最終無(wú)法完全恢復(fù)其本征物性，該法獲得??的石墨烯遷移率較低。但該方法石墨烯產(chǎn)量很高，適合大規(guī)模生產(chǎn)，在光電領(lǐng)域、??部分生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用價(jià)值。??１．２．３雙極性輸運(yùn)特性??石墨烯的雙極電場(chǎng)效應(yīng)，是其具有代表性的電輸運(yùn)特性之一［１］。得益于狄拉??克錐型的能帶結(jié)構(gòu)（圖１．２），利用電場(chǎng)調(diào)控，石墨烯的費(fèi)米面可以經(jīng)過(guò)電荷中性??點(diǎn)（狄拉克點(diǎn)），在電子區(qū)與空穴區(qū)內(nèi)移動(dòng)（圖１．３）。并且，在狄拉克點(diǎn)附近，??石墨烯的態(tài)密度相對(duì)較小，因此可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的費(fèi)米面調(diào)節(jié)。對(duì)于常見(jiàn)的??Ｓｉ〇２／Ｓｉ襯底上的石墨烯，以Ｓｉ〇２層作為介電層，在Ｓｉ上施加背柵柵壓，即可對(duì)??石墨烯的載流子濃度與費(fèi)米面位置進(jìn)行調(diào)控。圖１．３是典型的石墨烯電阻隨柵壓??的演化曲線［２］。費(fèi)米面在狄拉克點(diǎn)處時(shí)（黑線），電阻達(dá)到了極大值。在其兩側(cè)??電阻均快速下降，左（右）側(cè)對(duì)應(yīng)的載流子類(lèi)型為空穴（電子）。??６—?１’Ｔ??ｑ?：?ｉ?ｓ??１?！?１???－６０?－３０?〇?３０?６０??圖１．３石墨烯的雙極電場(chǎng)效應(yīng)？引自［２１??根據(jù)Ｄｍｄｅ模型，石墨烯的電導(dǎo)率滿足：??ａ?＝?ｎｅｎ?（１－１２）??其中，》是石墨烯的載流子濃度，ｅ是電子電荷量，／／是遷移率。載流子濃度通常??通過(guò)霍爾效應(yīng)的測(cè)試獲得，霍爾系數(shù)滿足：??６??

Ｆｘｙ是引起的霍爾電勢(shì)差，５Ｚ是垂直于石墨烯的??磁感應(yīng)強(qiáng)度。進(jìn)而可以得到霍爾遷移率：??＝?（１－１４）??僅通過(guò)電導(dǎo)率隨柵壓的演化曲線，也可以便捷地獲得場(chǎng)效應(yīng)遷移率：??Ｘ?ｄ＾?Ｘ?ｄｏ＊?／?－?１?＼??如？?（１－１５）??其中ｃｇ為柵極電容。兩種方式獲得的遷移率之間滿足：??＿?ｌｄｃｒ?＿?ｌｄ｛ｎｅｎＨ）?＿?ｔｍ?，?＿ｄｆｘＨ?／?，，廣、??細(xì)－：（Ｍ６）??因此當(dāng)遷移率隨載流子濃度變化不大時(shí)，兩種方式獲得的遷移率將基本一致。??圖１．４是Ｓｉ０２／Ｓｉ襯底上石墨烯電導(dǎo)率隨背柵柵壓的演化曲線［３］。根據(jù)（１－??１５）式，圖中的亞線性依賴關(guān)系，反映了石墨烯的遷移率（場(chǎng)效應(yīng)遷移率）隨載??流子濃度降低略有增大。通常，石墨烯的遷移率越高，其電導(dǎo)（電阻）隨柵壓的??演化曲線也將越陡峭。??ｒ＾＊７??Ｂ?＝?０?＼?／?Ｔ：１０Ｋ??〇ｌ?．?ｉ?．?ｌ?．?ｉ?．??？１００?－５０?０?５０?１００??Ｖ９（Ｖ）??圖１．４石墨烯電導(dǎo)率隨柵壓的演化曲線．引自｜３１??此外，費(fèi)米面在狄拉克點(diǎn)處時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)到了極小值。理想情況下，石墨烯??的載流子濃度應(yīng)為０。但實(shí)驗(yàn)中，人們總能觀測(cè)到最小電導(dǎo)率的存在，甚至出現(xiàn)??類(lèi)似平臺(tái)的行為［６，４１］。如圖１．４中，該最小值接近于４ｅ２／Ａ?￣?０．１６?ｋｉＴ１。該行??為被認(rèn)為來(lái)源于長(zhǎng)程的電荷雜質(zhì)散射。實(shí)際情況下，如圖１．５?（ａ）所示，電荷雜??質(zhì)的存在將導(dǎo)致石墨烯的庫(kù)侖勢(shì)在存在空間中的不均勻屏蔽，當(dāng)石墨烯載流子濃??度較小時(shí)，將形成電子－空穴坑（ｐｕｄｄｌｅ）?［４２］。根據(jù)隨機(jī)相位近似（ＲＰＡ）理論，?


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