石墨烯与LaAlO 3 /SrTiO 3 复合体系量子输运及层间相互作用研究
发布时间：2021-03-23 10:48
石墨烯和LaAlO3/SrTiO3异质界面是两种具有代表性的新兴二维电子系统。两者都具有丰富的物性,并且这些物性可以便捷地被电场所调控。由于两者均对各自的表面环境非常敏感,可以期待在两者组成的复合体系中,原有物性将被彼此通过近邻效应显著地调节,同时可能产生单一体系中无法具备的新颖物性。此外,该复合体系也是研究这两种性质迥异的二维电子系统之间相互作用的极佳平台。在本论文中,我们利用这种复合体系,对石墨烯的量子输运特性以及石墨烯与LaAlO3/SrTiO3界面之间的层间相互作用进行了研究。主要内容如下:1、LaAlO3/SrTiO3衬底上的石墨烯中显著增强的量子霍尔效应鲁棒性研究。通过利用5层的LaAlO3作为天然的背栅介电层,我们实现了高达1.59μF/cm2的超大栅极电容,这使石墨烯基场效应器件的操作电压显著减低。进一步地,我们在相对宽松的条件下实现了量子霍尔效应,例如,1.5 K/1.5 T以及150K/7 T。显著增强的量子霍尔效应鲁棒性归功于LaAlO3/SrTiO3对石墨烯中多种散射过程的有效抑制。基于此,该复合结构可以用于发展宽松条件下的量子霍尔电阻标准。2、源于超大栅极电容...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）石墨烯的蜂巢结构与（ｂ）布里渊区
中剥离，得到均匀分??散的氧化石墨烯薄片。通过旋涂等方法可以将薄片转移至目标衬底上，再利用加??热或化学还原法去除亲水基团，最终获得石墨烯薄膜［４０］。由于经历氧化还原过??程，石墨烯晶格完整性将受到破坏，且最终无法完全恢复其本征物性，该法获得??的石墨烯迁移率较低。但该方法石墨烯产量很高，适合大规模生产，在光电领域、??部分生物医学领域具有可观的应用价值。??１．２．３双极性输运特性??石墨烯的双极电场效应，是其具有代表性的电输运特性之一［１］。得益于狄拉??克锥型的能带结构（图１．２），利用电场调控，石墨烯的费米面可以经过电荷中性??点（狄拉克点），在电子区与空穴区内移动（图１．３）。并且，在狄拉克点附近，??石墨烯的态密度相对较小，因此可以实现较大范围的费米面调节。对于常见的??Ｓｉ〇２／Ｓｉ衬底上的石墨烯，以Ｓｉ〇２层作为介电层，在Ｓｉ上施加背栅栅压，即可对??石墨烯的载流子浓度与费米面位置进行调控。图１．３是典型的石墨烯电阻随栅压??的演化曲线［２］。费米面在狄拉克点处时（黑线），电阻达到了极大值。在其两侧??电阻均快速下降，左（右）侧对应的载流子类型为空穴（电子）。??６—?１’Ｔ??ｑ?：?ｉ?ｓ??１?！?１???－６０?－３０?〇?３０?６０??图１．３石墨烯的双极电场效应？引自［２１??根据Ｄｍｄｅ模型，石墨烯的电导率满足：??ａ?＝?ｎｅｎ?（１－１２）??其中，》是石墨烯的载流子浓度，ｅ是电子电荷量，／／是迁移率。载流子浓度通常??通过霍尔效应的测试获得，霍尔系数满足：??６??
Ｆｘｙ是引起的霍尔电势差，５Ｚ是垂直于石墨烯的??磁感应强度。进而可以得到霍尔迁移率：??＝?（１－１４）??仅通过电导率随栅压的演化曲线，也可以便捷地获得场效应迁移率：??Ｘ?ｄ＾?Ｘ?ｄｏ＊?／?－?１?＼??如？?（１－１５）??其中ｃｇ为栅极电容。两种方式获得的迁移率之间满足：??＿?ｌｄｃｒ?＿?ｌｄ｛ｎｅｎＨ）?＿?ｔｍ?，?＿ｄｆｘＨ?／?，，广、??細－：（Ｍ６）??因此当迁移率随载流子浓度变化不大时，两种方式获得的迁移率将基本一致。??图１．４是Ｓｉ０２／Ｓｉ衬底上石墨烯电导率随背栅栅压的演化曲线［３］。根据（１－??１５）式，图中的亚线性依赖关系，反映了石墨烯的迁移率（场效应迁移率）随载??流子浓度降低略有增大。通常，石墨烯的迁移率越高，其电导（电阻）随栅压的??演化曲线也将越陡峭。??ｒ＾＊７??Ｂ?＝?０?＼?／?Ｔ：１０Ｋ??〇ｌ?．?ｉ?．?ｌ?．?ｉ?．??？１００?－５０?０?５０?１００??Ｖ９（Ｖ）??图１．４石墨烯电导率随栅压的演化曲线．引自｜３１??此外，费米面在狄拉克点处时，电导率达到了极小值。理想情况下，石墨烯??的载流子浓度应为０。但实验中，人们总能观测到最小电导率的存在，甚至出现??类似平台的行为［６，４１］。如图１．４中，该最小值接近于４ｅ２／Ａ?￣?０．１６?ｋｉＴ１。该行??为被认为来源于长程的电荷杂质散射。实际情况下，如图１．５?（ａ）所示，电荷杂??质的存在将导致石墨烯的库仑势在存在空间中的不均匀屏蔽，当石墨烯载流子浓??度较小时，将形成电子－空穴坑（ｐｕｄｄｌｅ）?［４２］。根据随机相位近似（ＲＰＡ）理论，?
本文编号：3095665
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）石墨烯的蜂巢结构与（ｂ）布里渊区
中剥离，得到均匀分??散的氧化石墨烯薄片。通过旋涂等方法可以将薄片转移至目标衬底上，再利用加??热或化学还原法去除亲水基团，最终获得石墨烯薄膜［４０］。由于经历氧化还原过??程，石墨烯晶格完整性将受到破坏，且最终无法完全恢复其本征物性，该法获得??的石墨烯迁移率较低。但该方法石墨烯产量很高，适合大规模生产，在光电领域、??部分生物医学领域具有可观的应用价值。??１．２．３双极性输运特性??石墨烯的双极电场效应，是其具有代表性的电输运特性之一［１］。得益于狄拉??克锥型的能带结构（图１．２），利用电场调控，石墨烯的费米面可以经过电荷中性??点（狄拉克点），在电子区与空穴区内移动（图１．３）。并且，在狄拉克点附近，??石墨烯的态密度相对较小，因此可以实现较大范围的费米面调节。对于常见的??Ｓｉ〇２／Ｓｉ衬底上的石墨烯，以Ｓｉ〇２层作为介电层，在Ｓｉ上施加背栅栅压，即可对??石墨烯的载流子浓度与费米面位置进行调控。图１．３是典型的石墨烯电阻随栅压??的演化曲线［２］。费米面在狄拉克点处时（黑线），电阻达到了极大值。在其两侧??电阻均快速下降，左（右）侧对应的载流子类型为空穴（电子）。??６—?１’Ｔ??ｑ?：?ｉ?ｓ??１?！?１???－６０?－３０?〇?３０?６０??图１．３石墨烯的双极电场效应？引自［２１??根据Ｄｍｄｅ模型，石墨烯的电导率满足：??ａ?＝?ｎｅｎ?（１－１２）??其中，》是石墨烯的载流子浓度，ｅ是电子电荷量，／／是迁移率。载流子浓度通常??通过霍尔效应的测试获得，霍尔系数满足：??６??
Ｆｘｙ是引起的霍尔电势差，５Ｚ是垂直于石墨烯的??磁感应强度。进而可以得到霍尔迁移率：??＝?（１－１４）??仅通过电导率随栅压的演化曲线，也可以便捷地获得场效应迁移率：??Ｘ?ｄ＾?Ｘ?ｄｏ＊?／?－?１?＼??如？?（１－１５）??其中ｃｇ为栅极电容。两种方式获得的迁移率之间满足：??＿?ｌｄｃｒ?＿?ｌｄ｛ｎｅｎＨ）?＿?ｔｍ?，?＿ｄｆｘＨ?／?，，广、??細－：（Ｍ６）??因此当迁移率随载流子浓度变化不大时，两种方式获得的迁移率将基本一致。??图１．４是Ｓｉ０２／Ｓｉ衬底上石墨烯电导率随背栅栅压的演化曲线［３］。根据（１－??１５）式，图中的亚线性依赖关系，反映了石墨烯的迁移率（场效应迁移率）随载??流子浓度降低略有增大。通常，石墨烯的迁移率越高，其电导（电阻）随栅压的??演化曲线也将越陡峭。??ｒ＾＊７??Ｂ?＝?０?＼?／?Ｔ：１０Ｋ??〇ｌ?．?ｉ?．?ｌ?．?ｉ?．??？１００?－５０?０?５０?１００??Ｖ９（Ｖ）??图１．４石墨烯电导率随栅压的演化曲线．引自｜３１??此外，费米面在狄拉克点处时，电导率达到了极小值。理想情况下，石墨烯??的载流子浓度应为０。但实验中，人们总能观测到最小电导率的存在，甚至出现??类似平台的行为［６，４１］。如图１．４中，该最小值接近于４ｅ２／Ａ?￣?０．１６?ｋｉＴ１。该行??为被认为来源于长程的电荷杂质散射。实际情况下，如图１．５?（ａ）所示，电荷杂??质的存在将导致石墨烯的库仑势在存在空间中的不均匀屏蔽，当石墨烯载流子浓??度较小时，将形成电子－空穴坑（ｐｕｄｄｌｅ）?［４２］。根据随机相位近似（ＲＰＡ）理论，?
本文编号：3095665
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/jckxbs/3095665.html
教材专著
