石墨烯器件的原子层沉积技术制备及电输运性能研究

发布时间：2017-10-18 12:27

  本文关键词：石墨烯器件的原子层沉积技术制备及电输运性能研究

  更多相关文章： 石墨烯 化学气相沉积 掺杂 原子层沉积 氧化铝 场效应晶体管 高温性能

【摘要】：石墨烯因其高迁移率、高热导率、高强度、高透明性和柔性等独特性能引起了物理、化学、材料、电子等多领域的密切关注。作为自然界已知最薄的材料,石墨烯兼具很高的力学强度和化学稳定性,其在传感、探测等功能器件领域的潜在应用得到大量探索,成为国际上研究的热点。气相化学沉积是目前石墨烯制备的众多方法中在大面积、高质量控制上最有优势的方法,该方法也最容易与半导体微加工技术结合制备功能器件。然而,在以气相化学沉积石墨烯为前驱制备石墨烯功能器件时,掺杂控制、介电层制备、复杂环境效应等方面都有大量基础的科学和技术问题需要深入研究。本论文在气相化学沉积方法制备石墨烯的基础上,主要以原子层沉积(ALD)技术作为石墨烯介电层制备手段,研究了石墨烯器件在不同介电基底、不同温度、不同掺杂溶液环境下的性能和调控方法。论文主要的研究工作和结果有:开展了单层石墨烯的气相化学沉积制备和掺杂性能调控研究。以气相化学沉积方法制备了大面积石墨烯,拉曼光谱和扫描电镜表征显示其为单原子层晶体结构。以腐蚀基底湿转移法将石墨烯单层转移到石英、硅片等基底上,构筑了液栅调控场效应管器件。研究了盐溶液、聚乙烯亚胺分子等对石墨烯场效应管器件的掺杂效应,电输运测试结果表明,与通常条件下很容易形成的p型掺杂不同,聚乙烯亚胺可以对石墨烯形成较稳定的n型掺杂,从而能有效的调控石墨烯电学性质。研究了利用原子层沉积技术制备石墨烯功能器件介电层的方法。原子层沉积是一种能够从原子级别控制薄膜生长厚度和均匀性的工艺。由于石墨烯表面的疏水性和弱结合性,在石墨烯表面进行原子层沉积有很多技术挑战。本文采用低温生长、低温高温混合生长、臭氧活化等不同方法在石墨烯表面沉积氧化铝介电层,并在一系列不同基底上制备了石墨烯场效应晶体管器件。电输运对比研究表明,液体环境对石墨烯器件输出曲线的影响要远大于基底的影响。研究了石墨烯器件在高温下的电学性能。系统研究了石墨烯在空气和真空中电阻随温度的变化,发现石墨烯电阻均随温度升高均呈现先减小后增大的趋势,探讨了电阻变化与石墨烯载流子特性及电极稳定性的内在关联。发现在石墨烯表面沉积氮化硼或氧化铝后,石墨烯在真空中的热稳定性明显提高,但高温下电极接触的破坏仍是石墨烯器件失效的主要原因。
【关键词】：石墨烯 化学气相沉积 掺杂 原子层沉积 氧化铝 场效应晶体管 高温性能
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 引言12-13
• 1.2 石墨烯制备及性能13-15
• 1.2.1 石墨烯的制备方法13-14
• 1.2.2 石墨烯性能研究14-15
• 1.3 石墨烯掺杂15-19
• 1.4 石墨烯器件19-28
• 1.4.1 石墨烯晶体管器件19-20
• 1.4.2 其它器件20-22
• 1.4.3 器件介电层制备技术22-28
• 1.5 本论文的研究意义、研究方法和结果28-30
• 第二章 石墨烯器件制备和掺杂30-41
• 2.1 引言30
• 2.2 石墨烯的CVD生长30-34
• 2.2.1 抛光铜片30-31
• 2.2.2 CVD生长石墨烯31-33
• 2.2.3 生长后石墨烯质量的表征33-34
• 2.3 转移石墨烯及其器件制备34-36
• 2.3.1 转移石墨烯至玻璃或载玻片上34-35
• 2.3.2 石墨烯液栅晶体管器件制备35-36
• 2.4 聚乙烯亚胺（PEI）掺杂石墨烯36-38
• 2.5 石墨烯的霍尔效应38-40
• 2.6 本章小结40-41
• 第三章 原子层沉积辅助制备石墨烯器件41-56
• 3.1 引言41
• 3.2 ALD沉积原理41-43
• 3.3 ALD沉积Al2O3薄膜到石墨烯上43-49
• 3.3.1 沉积前准备43-44
• 3.3.2 沉积Al2O3薄膜44-48
• 3.3.3 臭氧辅助沉积Al2O3薄膜48-49
• 3.4 不同基底的石墨烯晶体管器件的性能研究49-55
• 3.4.1 基底作用49-51
• 3.4.2 实验部分51-55
• 3.5 总结55-56
• 第四章 石墨烯高温性能研究56-65
• 4.1 引言56
• 4.2 石墨烯的变温实验56-59
• 4.3 ALD沉积Al2O3高温保护BN59-62
• 4.4 石墨烯的高温保护实验62-64
• 4.5 总结64-65
• 第五章 总结和展望65-67
• 5.1 本文工作总结65-66
• 5.2 后续工作展望66-67
• 参考文献67-76
• 致谢76-77
• 硕士期间论文发表（录用）情况77

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本文编号：1054954