扫描隧道显微镜的电子学设计及其对二维原子分子晶体材料的研究
发布时间：2022-01-22 05:34
自上个世纪初以来,科学技术得到了极其迅速的发展,经历了从经典到量子、从宏观到微观的过渡。纳米尺度的基础研究和应用研究是科技发展的必然趋势。一方面,物理、化学、生物学等领域的基础科学研究,需要在纳米尺度乃至单分子单原子水平进行开展;另一方面,随着电子科技的发展,电子器件的体积不断减小,硅基器件越来越接近其物理极限,基于纳米材料进行器件构筑是一个有效的解决方法。低维纳米材料因其在尺寸上的天然优势,在纳米科技中极具发展前景。在纳米科技的发展中,扫描隧道显微镜技术扮演着不可或缺的角色,给该领域带来了长足的进步。本文的工作即是在这样的背景之下展开的,主要分为以下三个部分:1. 首先介绍了针尖制备控制电路的优化设计。将控制电路的关断时间减小到10 ns左右,制备的钨针尖曲率半径达1 nm以下,曲率半径小于3 nm的成功率大于80%;详细探究了针尖曲率半径与电解电流和控制电路关断速度之间的关系,发现了在针尖的形成过程中,电解电流会使得针尖发生熔化,极大的影响了针尖曲率半径。然后,介绍了前置放大器电路的优化设计,阐述了扫描隧道显微镜对于前置放大器的需求,以及放大器设计的原理和难点。最终设计一个增益为1...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
石墨烯的结构和性质(a)单层石墨烯模型
第1章绪论5使其无法用于晶体管构筑。石墨烯掺杂[9]，石墨烯氢化[10]等方式常被用来打开石墨烯的能隙。由于其具有极好的导电性以及超大的比表面积，常被用作电池的电极材料，超级电容器的材料等。双层石墨烯拥有与单层石墨烯不同的特性，电子表现为质量不为零的Dirac费米子，其色散关系在Dirac点附近接近抛物线型，如图1.1b所示，双层石墨烯对于电子输运和自旋有非常有效的控制作用。近年来，发现当两层石墨烯的转角发生改变时，石墨烯的输运特性将会发生极大的改变[11]，如图1.2a-b所示。Cao等人制备出了“魔角”石墨烯，在石墨烯中诱导出非常规超导特性[12]。他们发现，当两层石墨烯之间的转角约为1.05°时，通过栅压调控载流子浓度，可在石墨烯能带中诱导出平带，且在1.7K下获得了超导电性[12]，如图1.2c所示。图1.2转角石墨烯的性质(a)双层转角石墨烯模型。(b)不同转角下的能带结构。(c)1.05°转角发生出现超导现象。(d)原子级精准可控的“折纸”石墨烯纳米结构，可制备不同转角的石墨烯。摘自文献[11-13]。Figure1.2Thepropertiesoftwist-anglebilayergraphene.(a)Themodeloftwist-anglebilayergraphene.(b)Thebandstructureunderdifferenttwist-angles.(c)Thesuperconductivityunderthetwist-angleof1.05°.(d)Atomicallyprecise,custom-designorigamigraphenenanostructures.Thetwistanglecanbemanipulated.[11-13]
扫描隧道显微镜的电子学设计及其对二维原子分子晶体材料的研究6本课题组使用STM对单层石墨烯在纳米尺度进行折纸操作，如图1.2d所示，获得了转角双层石墨烯[13]。改变不同层之间的转角是一个有效的调制二维材料物性的手段，可以将其用在其他二维材料中。继石墨烯之后，诸多种二维材料被制备出来，包括与石墨烯相似的Xene类材料（硅烯，锗烯，锡烯，碲烯等），六方氮化硼（h-BN），黑磷，过渡金属硫族化合物（TMD）材料等等[14,15]。由于具有丰富的化合物种类和物性，庞大的TMD层状材料家族在二维材料领域得到了最为广泛的关注。1.4.2TMD材料的结构与性质及其应用TMD材料的化学式可用MX2概括，M包括V，Mo，W等过渡族金属，X是S，Se，Te等硫族元素[15]，如图1.3所示。材料的结构是X-M-X式的三明治结构，如图1.4a所示，晶格具有六方或三角对称性，TMD材料原子堆叠方式有2H相、1T相和3R相[16]，如图1.4b所示。层内原子以共价键或离子键结合，层间以范德瓦尔斯力结合，一般可通过机械剥离的方式从块体材料中得到少层或单层的TMD二维材料。图1.3TMD材料组成元素在周期表中的分布摘自文献[15]。Figure1.3ThedistributionofTMDmaterialselementsinperiodictable.[15]
本文编号：3601636
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
石墨烯的结构和性质(a)单层石墨烯模型
第1章绪论5使其无法用于晶体管构筑。石墨烯掺杂[9]，石墨烯氢化[10]等方式常被用来打开石墨烯的能隙。由于其具有极好的导电性以及超大的比表面积，常被用作电池的电极材料，超级电容器的材料等。双层石墨烯拥有与单层石墨烯不同的特性，电子表现为质量不为零的Dirac费米子，其色散关系在Dirac点附近接近抛物线型，如图1.1b所示，双层石墨烯对于电子输运和自旋有非常有效的控制作用。近年来，发现当两层石墨烯的转角发生改变时，石墨烯的输运特性将会发生极大的改变[11]，如图1.2a-b所示。Cao等人制备出了“魔角”石墨烯，在石墨烯中诱导出非常规超导特性[12]。他们发现，当两层石墨烯之间的转角约为1.05°时，通过栅压调控载流子浓度，可在石墨烯能带中诱导出平带，且在1.7K下获得了超导电性[12]，如图1.2c所示。图1.2转角石墨烯的性质(a)双层转角石墨烯模型。(b)不同转角下的能带结构。(c)1.05°转角发生出现超导现象。(d)原子级精准可控的“折纸”石墨烯纳米结构，可制备不同转角的石墨烯。摘自文献[11-13]。Figure1.2Thepropertiesoftwist-anglebilayergraphene.(a)Themodeloftwist-anglebilayergraphene.(b)Thebandstructureunderdifferenttwist-angles.(c)Thesuperconductivityunderthetwist-angleof1.05°.(d)Atomicallyprecise,custom-designorigamigraphenenanostructures.Thetwistanglecanbemanipulated.[11-13]
扫描隧道显微镜的电子学设计及其对二维原子分子晶体材料的研究6本课题组使用STM对单层石墨烯在纳米尺度进行折纸操作，如图1.2d所示，获得了转角双层石墨烯[13]。改变不同层之间的转角是一个有效的调制二维材料物性的手段，可以将其用在其他二维材料中。继石墨烯之后，诸多种二维材料被制备出来，包括与石墨烯相似的Xene类材料（硅烯，锗烯，锡烯，碲烯等），六方氮化硼（h-BN），黑磷，过渡金属硫族化合物（TMD）材料等等[14,15]。由于具有丰富的化合物种类和物性，庞大的TMD层状材料家族在二维材料领域得到了最为广泛的关注。1.4.2TMD材料的结构与性质及其应用TMD材料的化学式可用MX2概括，M包括V，Mo，W等过渡族金属，X是S，Se，Te等硫族元素[15]，如图1.3所示。材料的结构是X-M-X式的三明治结构，如图1.4a所示，晶格具有六方或三角对称性，TMD材料原子堆叠方式有2H相、1T相和3R相[16]，如图1.4b所示。层内原子以共价键或离子键结合，层间以范德瓦尔斯力结合，一般可通过机械剥离的方式从块体材料中得到少层或单层的TMD二维材料。图1.3TMD材料组成元素在周期表中的分布摘自文献[15]。Figure1.3ThedistributionofTMDmaterialselementsinperiodictable.[15]
本文编号：3601636
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3601636.html
