功能性二维材料的制备、表征和场效应性能调控研究

发布时间：2020-06-12 03:14

【摘要】：石墨烯自被发现以来,以其特殊的结构和优异的物理性质使人们对这种二维结构的材料产生了巨大的兴趣,并进行了广泛而深入的研究。得益于石墨烯研究的繁荣,氧化石墨烯、氮掺杂石墨烯等石墨烯相关的功能性衍生物也逐渐得到广泛的关注。氧化石墨烯和氮掺杂石墨烯是可以通过一系列氧化、掺杂、还原等手段对石墨烯结构和性质进行调控,实现特定的功能应用。与此同时,其他元素的功能性二维材料如氮化硼、过渡金属硫化物和黑磷等也相继走进人们的视野。其中黑磷作为半导体,以其优异的电子和光学性质,如高载流子迁移率和可调制的直接带隙等,成为了二维材料领域的新焦点。本文主要从氧化石墨烯的修饰、掺杂以及黑磷单晶的制备等方面进行了探索。主要研究内容如下:1.采用还原氧化石墨烯(RGO)和十八烷基三氯硅烷(OTS)的垂直异质结构来制作基于RGO的场效应器件。RGO表面的OTS单分子层阻断了大气环境中水分和氧气对RGO中电子的捕获,而二氧化硅衬底上的OTS单分子层隔绝了来自衬底的电荷散射。这种垂直异质结构同时消除来自衬底和空气中的掺杂,最终得到了本征的对称双极性场效应器件。不仅如此,器件的稳定性也得到了显著的提升,双极性场效应能在大气环境下维持将近一周左右。2.通过邻芳香二胺化合物中的氨基和氧化石墨烯中的羰基之间的希夫碱缩合反应,成功制备了吡嗪和吡啶类的氮掺杂石墨烯,并研究了氮的构型和结构中的吸电子基团对氮掺杂石墨烯电学性能的影响。当石墨烯被含有强吸电子基团(三氟甲基基团)的邻芳香二胺化合物掺杂时,场效应晶体管器件表现出空穴传输主导的双极性场效应行为,显示为p型的掺杂。当强吸电子的三氟甲基基团被移除,器件逐渐转变为对称的双极性场效应,甚至表现出一定程度的n型掺杂。在此基础上引入吡啶类型的氮,由于吡啶氮的吸电子及散射作用,器件转变为弱p型掺杂。3.利用五溴化磷作为前驱物,熔融的金锡合金(AuSn)作为催化基底,首次通过常压化学气相沉积(CVD)的方法实现了高质量大面积的单晶黑磷的生长。通过系统降温实验表明,黑磷在金锡合金表面的生长为偏析机制,类似于石墨烯在镍箔上的生长方式。通过电子束溅射原位俄歇电子能谱(AES)的表征也证实了这一点。在熔融金锡合金表面,磷原子偏析生成黑磷的过程中,黑磷的孤对电子会被金属离子捕获。这会阻止黑磷与空气中水氧继续反应,使黑磷的空气稳定性大大提高。
【图文】：

石墨,碳材料,碳原子

图 1.1 石墨烯的结构及其与各碳材料的关系。[7]同时，载流子在石墨烯中的运动已经很难用传统的薛定谔方程来描述，其满足静质量为零的狄拉克费米子要求，运动可以由符合相对论量子力学的狄拉克方程来描述。[16]这种独特的能带结构决定了石墨烯是零带隙的半金属材料，使石墨烯表现出与常规半导体材料不同的特性，同时也使石墨烯的电学性质很容易受到基底、杂质、缺陷和外加电场的影响和调控。[17-21]（二）石墨烯的性质1. 石墨烯的机械性质：石墨烯由sp2杂化的碳原子组成，碳原子之间形成碳碳双键，这种共轭双键赋予石墨烯极高的机械性能。根据理论估计，石墨烯的抗拉强度和弹性模量分别为 180 Gpa 和 1 Tpa，比强度在 0.78-1.68Gpa 的钢铁大 100 多倍。这是因为石墨烯内部的碳原子间的连接十分柔韧，当外加机械力向石墨烯施加作用时，整个碳原子平面发生弯曲变形，使得结构中的碳原子不必通过重新排列来适应外力，从而可以维持自身结构的稳定。哥伦比亚的 Lee 等人利用原子力显微镜对石墨烯的力学性质进行了较详

模拟图,石墨,扫描电子显微镜,晶体

1.2 （a）铺展在带孔晶体板上的石墨烯的扫描电子显微镜（SEM）图像。标尺为 3 μm。（b）上石墨烯的非接触原子力显微镜（AFM）图片。（c）石墨烯的力学性能测试模拟图。（d）石墨烯受力破损后的 AFM 图片。[23]2. 石墨烯的电学性质：石墨烯独特的能带结构使得石墨烯的载流子可以在空穴和电之间无缝切换，使石墨烯可以同时表现 p 型和 n 型特征。作为零带隙的半金属材料，墨烯中载流子的传输阻力很小，，运动速度可以达到光速的 1/300，远高过在一般导体的运动速度，[24, 25]其载流子迁移率理论可达到 200000 cm2/v·s，对于硅片经过修饰的墨烯器件，迁移率也到达了 47000 cm2/v·s。[26]石墨烯中电子散射与载流子浓度无关，在超高的载流子浓度下，石墨烯依旧可以保持极高的迁移率。据推测，[11, 27]石墨烯在微米尺度上表现为二维弹道传输，即载流子在亚微米尺度上传输不会与任何杂质进行撞，从而保证了石墨烯的超高迁移率不会因周围环境的散射等因素而降低。3. 石墨烯的光学性质：石墨烯作为单分子厚度的二维晶体，却具有恒定的吸光性。ir[28]等人测试了悬浮石墨烯的吸光性能，发现其吸光程度与光波的波长和强度并不相
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34

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