石墨烯三端结和石墨烯-量子点复合器件研究

发布时间：2020-10-24 13:05

　　 随着电子设备不断提出微型化、集成化、低功耗的要求,器件的量子力学效应不断增加,单纯靠减小硅基半导体器件尺寸已无法满足集成电路的发展趋势,石墨烯等碳纳米结构成为发展新一代高可靠性、高性能微纳器件的材料研究热点。本文中利用微纳加工技术制备了石墨烯三端弹道结(three-terminal ballistic junction:TBJ)器件。由电子束曝光(electron-beam lithography:EBL)绘制,并用电感耦合等离子体(inductively coupled plasma:ICP)刻蚀得到一系列不同尺寸的T型三端弹道结。再通过EBL绘制源漏电极,并用电子束蒸发(electron beam evaporation:EBE)沉积5/90-nm Ti/Au层形成欧姆接触,研究其非线性弹道输运性质。进一步地,将TBJ与量子点接触(quantum point contact:QPC)耦合实现逻辑功能。此外,通过溶液沉积方法制作了石墨烯-PbS胶体量子点(colloidal quantum dot:CQD)复合器件,研究其光电响应与电输运。博士论文的主要研究内容总结如下:(1)研究了石墨烯TBJ器件的非线性电荷输运特性。石墨烯TBJs具有室温整流特性,即在电子输运区,TBJs左右两端施加推挽式偏压:VL=V,FR=-V时,中间端输出电压VC总是负值(空穴输运区,则FC为恒正),与F的二次方呈依赖关系。整流系数aα,即抛物线型输出电压曲线的曲率,由栅极电压有效调控,表现出与输运载流子极性的依赖性,与零偏压下石墨烯的电化学势μF成反比。与热电测量相比,石墨烯TBJs的非线性输运测量为研究石墨烯纳米器件的电子结构和电荷态提供了一种简单的纯电学方法。当左右两端施加无直流偏置的异相交流电压时,对称的TBJs可作为整流器和二次谐波发生器。(2)石墨烯三端弹道结的整流电压FC与费米能级处电导的导数有关。VC关于栅压Vg依赖关系中的峰-谷结构与归一化跨导(1/G)dG/d Vg随Vg变化的曲线具有相同的形状,正负极值和极性反转点都一致。对于载流子不均匀分布的TBJs,非线性栅控电压曲线Fc-Vg显示出清晰的双峰结构。对于不均一性和散射机制的探测,非线性电压信号要比电阻的测量敏感得多。结果表明,石墨烯TBJs可作为纳米电子学的新型构建单元,也可作为研究纳米级石墨烯材料性能的新型器件。(3)制备了石墨烯三端弹道结与量子点接触的复合功能器件。TBJ的中间支作为侧栅调控QPC。在电子输运区,只有当所加直流电压都为正时,中间端输出电压取得正值,(将正电压看作是数字电路中的二进制1),TBJ实现与门逻辑。与QPC(反相器)耦合实现与非门。在空穴输运区,TBJ实现或门逻辑,与QPC(放大器)耦合实现或门。低温下观测到因量子振荡引起的逻辑反转。在栅极调控下,TBJ/QPC级联器件能实现任意逻辑,为全碳逻辑电路的构建奠定了重要的实验基础。(4)制作了石墨烯-PbS胶体量子点复合光电探测器,测量了其光电响应特性。在激光脉冲照射下,经PbS量子点修饰的石墨烯FETs的电阻呈现开关式变化。将石墨烯沟道电阻的光诱导变化ΔRph定义为光响应信号,其幅值和符号可通过背栅电压来调控,与石墨烯转移特性曲线的导数有关。建立一个极性依赖载流子的转移模型来解释实验结果,量子点中一种电荷极性的光致载流子转移到石墨烯上,导致量子点中电荷极性相反的载流子聚集,从而改变石墨烯中载流子的密度,称之为:光诱导栅控效应。利用激光束有效地调制石墨烯层的电学性质,为研究石墨烯的输运性质提供了一种额外的光学调控手段。(5)低温下,由于CQDs引入了散射势,复合器件的磁电导在低磁场和高磁场量子霍尔区都呈现较强的Aharonov-Bohm(AB)型振荡,依据量子振荡可估算出散射势的横向尺寸。FCQD与石墨烯中载流子耦合增强了谷间散射和弱局域化效应。电导随温度的降低而减小,在30 K以下,与温度呈对数依赖关系。利用石墨烯中载流子对静电环境敏感的特性,石墨烯-PbS CQDs复合器件为研究二维材料量子相干器件提供了新的更为灵活的体系。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN04
【部分图文】：

体的最基本元素，是人类认识并利用最早的元素之一。碳单质是迄今发现的唯一一种从??零维到三维都稳定存在的物质。二维的石墨烯（ｇｒａｐｈｅｎｅ）是构成碳材料其他同素异形??体的基本结构单元，如图１．１所示，石墨稀可堆叠成三维的石墨（ｇｒａｐｈｉｔｅ）；可卷曲成??一维的碳纳米管（ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）；可缠绕成零维的富勒烯（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ）?［１］，具有优??良的电学性质，有望成为下一代电子器件的基础材料。??＿％％誉??图１．１零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯、三维石墨［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杂化轨道紧密堆积成二维六角蜂窝状晶格结构的薄膜，是目??前世界上最薄也是最坚硬的纳米材料，厚度只有０．３３５?ｎｍ，机械强度却超出钢铁数十倍，??杨氏模量五＝１?ＴＰａ、三阶弹性刚度Ｄ?＝?－２?ＴＰａ，断裂强度〇?＝?１３０?ＧＰａｌ２］，是电子传输??基底的最佳选择。石墨炼导热系数高达５３００?ｗ／（ｎｒＫ）［３］，高于碳纳米管和金刚石，但其??电阻率比铜和银还低

反复粘贴薄的石墨片以减少层数，对比粘贴次数对石墨烯质量的影响，选取合适粘贴次??数胶带上最佳石墨烯结构用丙酮浸没，再转移到Ｓｉ／Ｓｉ０２衬底上。这一系列过程见图??２．１（ａ）［８６］。迄今为止本人撕出的单层石墨烯最大长度为３０?ｐｍ，见图２．１（ｂ）。??２．３石墨烯的表征??２．３．１显微镜光学衬度法??选择合适厚度的衬底对于光学表征石墨烯起着至关重要的作用，可见光的波长内，??石墨烯与衬底对比度最大有利于观察。当附有氧化层衬底上的石墨烯被光照射时，因为??石墨烯薄片透明度大，一部分光透过石墨烯进到氧化层中再反射，这与石墨烯表面的反??射光形成一个光程差，衬度随着氧化层厚度和入射光波长的不同而不同，见图２．２?（ａ）［８７］。??不同氧化层的厚度以及入射光波长下石墨烯在二氧化硅下的光学照片与衬度对比，见图??２．２?（ｂ）。此外，蓝光下用５０?ｎｍ?Ｓｉ３Ｎ４作衬底或白光下用９０?ｎｍ?ＰＭＭＡ作衬底等方法，??都容易分辨出石墨烯。??－１３?－??

针尖和样品间的作用力是微悬臂的力常数与形变量之积。用一束激光照射在悬臂??末端，反射光斑的位置随摆动而改变，探测器记录偏移量并将其转换成电信号，可描绘??出样品的表面形貌，探针工作原理见图２．３（ａ）。ＡＦＭ工作模式不同，应用范围不同，见??表２．１。据此我们选用的仪器是Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ?３１００，另超净室里还有个不能定位测试器件??的?ｍｕｌｔｉ－ｍｏｄｅ?Ｖ。??ＡＦＭ技术能精确地辨别石墨薄片层数，单层石墨稀厚度通常在０．３３５?ｒｎｎ，不同层??数的石墨烯在ＡＦＭ表征图中能清晰地看到高度平台与梯度。ＡＦＭ除了表征，还可以做??微纳加工，在纳米尺度上定位构建各种结构，如Ｄｉｐ－ｐｅｎ?ｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ?（蘸笔刻蚀）。??图２．３?（ｂ）是本人制备的石墨烯逻辑门器件的ＡＦＭ图。??－１４?－??
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本文编号：2854503