插层调控SiC基石墨烯电子结构的理论研究

发布时间：2021-09-09 16:04

　　石墨烯作为新型二维碳材料,由于具有独特的能带结构、大的比表面积、高的载流子迁移率等优异的性质引起了广泛关注,在催化、储能、微电子器件、功能复合材料、高灵敏度传感器等领域中具有广阔的应用前景。目前,制备石墨烯的方法有很多,例如机械剥离法、化学气相沉积法（CVD）、碳化硅（SiC）热解法、化学自组装方法等。其中,SiC热解法制备的石墨烯能够与现代半导体工艺相兼容,避免石墨烯转移工艺对石墨烯完整性和电学性能的破坏,更利于制备热稳定性好、晶圆级尺寸的均匀石墨烯,被认为是实现大规模集成电路的理想途径,是最适合于微电子器件应用和最有潜力的制备方法之一。SiC热解法的基本原理是,高温分解碳化硅导致Si原子挥发,剩余的C原子重构形成石墨烯。然而,由于SiC衬底暴露的Si原子悬挂键与石墨烯形成强相互作用的共价键,导致石墨烯结构不平整并且产生褶皱,形成0层石墨烯或称之为缓冲层石墨烯。缓冲层石墨烯由原始的sp2杂化变成sp2、sp3杂化共存,破坏了石墨烯特有的线性色散关系。缓冲层的存在势必会使石墨烯的电学特性下降,这将严重影响石墨烯在器件中的应用。因此,如何去除缓冲层,解除缓冲层石墨烯与SiC衬底之间的相互... 

【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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图１．１不同碳元素构成的材料结构［２］??２??

．４２?Ａ，键角为１２０°，晶格常数为２．４６?Ａ?，??其厚度约为０．３５５?ｎｍ，是迄今为止己知材料中最薄的材料［１，３］。石墨烯能??够暴露出不同的边缘，例如扶手椅形（ａｒｍｃｈａｉｒ?ｅｄｇｅ）和锯齿形（ｚｉｇｚａｇ?ｅｄｇｅ）??边缘，不同的边缘导致石墨烯具有不同的性质。Ｆｕｊｉｔａ和Ｎａｋａｄａ［４］等人通??过紧束缚电子结构模型研宄表明，镅齿形石墨烯纳米带呈金属性，且费米??面能级附近电子态集中于石墨烯的边缘：而扶手形石墨烯纳米带呈金属性??还是半导体性由其带宽决定，如图１．２（ａ）所示，据报道，工艺上己经实现??了对石墨烯导电类型和禁带宽度的调控［５－７］。碳原子２ｄ２ｐ２四个电子构成??了石墨烯的电子轨道最外层，其中每一个碳原子中有两种不同键，一种是??每个碳原子与临近三个碳原子的价电子通过杂化形成ａ键，平面的（Ｔ键??异常强籾，使得石墨烯的六角晶格结构具有极强的机械性能和稳定性，另??外一种是由碳原子剩余的一个价电子位于Ａ轨道形成向外方向的７！键，这??种平面外的７ｔ键电子＆轨道有轻微的重叠，７１轨道是半填充的，７Ｔ键电子??式离域可以使得石墨烯层间电子自由移动，电子从一个原子的＾轨道跃迁??到另一个原子＆轨道，从而使得石墨烯拥有很多奇异的电学性能，例如极??髙的载流子迁移率，如图１．２（ｂ）所示。??（ａ）?（ｂ）??ａｒｍｃｈｓｉｒ?ｅｄｇｅ?〇?ｂｏｎｄ?＿??靡鲁Ｆ??辱痛??图１．２?（ａ）石墨烯的布拉菲晶格结构，ａ，和３２为原胞晶格矢量；（ｂ）石墨烯中ｏ键和７ｔ??键的分布；（ｃ）相应的布里渊区（狄拉克锥分别位于Ｋ点和Ｋ点）；（ｄ）石墨烯能带结??构［８］??３??

山东大学硕士学位论文??￣＾?Ｉ?ｉＥ??６－?０Ｔ?，?｜??〇１?１?１?Ｌ?＿?Ｘ?■ｖ■■■■＿?Ｊ???－６０?－３０?０?３０?６０??ｖ９ｗ??图１．３石墨烯双极场效应示意图??１．３?ＳｉＣ材料的结构和性质??１８２４年，瑞典科学家Ｊｏｎｓ?Ｊｏｃａｂ?Ｂｅｒｚｅｌｉｕｓ第一个合成了碳化桂（ＳｉＣ）??ｋ??材料，从此ＳｉＣ问世［２０］。ＳｉＣ是由相同数目的Ｓｉ和Ｃ原子组成的一种宽??带隙半导体材料，Ｓｉ－Ｃ键高的结合度（约５?ｅＶ）使得ＳｉＣ化学性质稳定，??具有髙硬度、高热导率、大的临界击穿电尝高的抗辐射能力以及快的饱??和漂移速率等优良性质，因此ＳｉＣ材料作为第三代宽带隙半导体材料在高??频、高温等领域器件中具有广阔的应用前景。??如图１．４是ＳｉＣ材料结构基元的结构示意图，一个Ｓｉ原子与临近的四??个Ｃ原子通过切３相连接，形成一个四面体结构，并且Ｓｉ－Ｃ键长为１．８９?Ａ。??一般规定Ｓｉ－Ｃ键的方向为ｃ轴方向，因此ＳｉＣ被视为在ｃ轴方向Ｓｉ－Ｃ双??层构成的晶体，沿着ｃ轴方向切割，会暴露出Ｓｉ面（Ｓｉ－ｆａｃｅ）和Ｃ面（Ｃ－ｆａｃｅ）??两种不同的极性面，分别记为（０００１）和（〇〇〇Ｔ），如图１．５所示。??５??


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