四探针扫描隧道显微镜的彻底改造及石墨烯输运性质研究

发布时间：2020-11-15 07:16

　　 石墨烯是一种具有蜂窝状结构的二维原子晶体,具有新奇的力学、电学和光学特性,在场效应晶体管、太阳能电池和柔性透明电极等领域有着广阔的应用前景。因此,石墨烯在科学研究和工业应用上都有十分重要的意义。为满足科研和应用的需求,人们采用多种方式合成高质量、大面积的石墨烯。然而,合成的大面积石墨烯通常具有多晶特性,晶界会对载流子产生强烈的散射作用,从而降低石墨烯整体的电导率、迁移率,制约了石墨烯在电子电路领域的应用。为了研究石墨烯的输运性质,需要将合成的石墨烯转移至绝缘衬底,并采用微加工技术将石墨烯制成器件,以便连接宏观测量设备。微加工过程不可避免地引入污染,并最终改变石墨烯本征的输运性质。四探针扫描隧道显微镜(STM)同时兼容高精度扫描定位和标准的四端输运测试方式,可以快速地对石墨烯等二维材料的形貌和输运性质进行原位表征,为纳米科学研究提供了强有力的平台支撑。本论文的主要工作是对一台商用超高真空(UHV)四探针STM的彻底改造,并利用改进后的四探针系统对化学气相沉积(CVD)法合成的单晶和多晶石墨烯进行了形貌和输运等物性的研究。本文的第一部分是对一台商用UHV四探针STM系统的彻底改造。国际上第一代商业化UHV四探针STM系统是由科研仪器制造商德国OMICRON公司所生产。然而,作为世界上最早的商用化多探针系统(型号:UHV Nanoprobe),其在实际应用中无法有效地对纳米体系进行原位形貌与输运研究。针对商用系统所存在的噪音大、温漂显著、分辨率低等问题,将该系统进行了多方位的全面改造,包括减振与磁阻尼、扫描结构、导热连接与热屏、分时复控电路单元、扫描电镜的替换等。同时,还介绍了加热除气台、信号线等方面的改进。经过此次改造,从根本上解决了系统信噪比、机械和温度稳定性、成像分辨率以及降温等方面的问题。第二部分的主要工作是采用四探针法测量毫米尺寸单晶石墨烯的电阻率与迁移率。利用改造后的四探针STM系统,对CVD方法生长在铜箔上的石墨烯进行形貌的表征,证实了石墨烯的连续性,并对转移到SiO_2/Si衬底上的毫米尺寸单晶石墨烯进行了输运测试。根据van der Pauw构型,获得了整片石墨烯的电导率和迁移率,表明该单晶石墨烯片在不同方向具有相同的输运性质。然而,该石墨烯的局域输运性质与整体的性质存在较大差别。这些差异是由于该单晶石墨烯片上局域分布着石墨烯褶皱、残余物以及多层石墨烯岛,影响了石墨烯的局域输运性质,但是这些因素的存在并未影响整片石墨烯的性质。第三部分工作是利用改造后的四探针STM系统研究SiO_2/Si衬底上多晶石墨烯的输运性质。该研究工作主要集中在转移到SiO_2/Si衬底上的双晶石墨烯,从而保证所测量石墨烯晶界的唯一性。利用四探针法,无损地测量了双晶石墨烯两侧晶畴以及跨晶界的二维电阻。为了获得石墨烯晶界的电阻率,建立了晶界扩展模型,能够很好地拟合出不同载流子浓度下的晶界电阻率。另外,这一模型也适用于石墨烯褶皱的输运测量。根据Drude输运模型,获得了石墨烯晶界和褶皱处的载流子迁移率。结果表明石墨烯晶界处迁移率比本征石墨烯低三到四个数量级,而褶皱处的迁移率约为本征石墨烯的1/6~1/5。本工作拓展了人们对石墨烯晶界/褶皱处本征电子输运特性的认识,显示了四探针STM系统在研究缺陷等微观结构特性对材料输运性质的影响方面具有独特优势,也为其他二维材料晶界的输运性质表征提供了可行的方法。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH742;O613.71
【部分图文】：

图 1.1 隧穿效应。图 (a)引自[5]。学的基本原理[6]，其隧穿模型可以简化为求解一维薛2 22( )2mdU z Edz ， 的波函数，EΨ为能量本征值，U(z)是图 1.1 (b)和(c)所00 0( ) 00ZU z E Z WZ W 。 1.2)可求得在势垒区（0≤Z≤W），电子的波函数为：( ) (0)zz e ， 常数，描述电子在+Z 方向的衰减状态，其表达式为

0 阵元 M 的幅值在感兴趣的范围内没有明显尖 DOS 的卷积：0( ) ( )eVs f t fI E eV E d 。通常选取具有自由电子的金属针尖或者具有( )s fdIE eVdV 。 的基本原理[6]，配合 STM 超高的空间分辨率子结构信息，例如，样品表面不同层次的态化以及能隙结构等信息。而且，在实际操作放大技术，用来提高信噪比。

他们又发现外加电场能够使压电材料发生相应的形变，称之为逆压电效应（如图1.3 (d-f)）[8]。除了在电场方向发生形变，压电材料也会在横向上发生一定的应变。此外，对于具有自发极化的压电材料，在其极化方向的法向施加电场则会使其发生剪切应变（如图 1.3 (g)）[9]。
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 Yuanfang Yu;Zhenzhen Li;Wenhui Wang;Xitao Guo;Jie Jiang;Haiyan Nan;Zhenhua Ni;;Investigation of multilayer domains in large-scale CVD monolayer graphene by optical imaging[J];Journal of Semiconductors;2017年03期

2 曾健;刘杰;张胜霞;翟鹏飞;姚会军;段敬来;郭航;侯明东;孙友梅;;Irradiation effects of graphene and thin layer graphite induced by swift heavy ions[J];Chinese Physics B;2015年08期

本文编号：2884493