N掺杂石墨烯及其场效应晶体管研究

论文摘要

石墨烯是由sp2杂化碳原子构成的一种具有蜂窝状六方点阵结构的二维纳米材料,是构成其它维度碳材料的基础。石墨烯的长程π共轭电子,使其具有优异的热学、机械和电学性能。因此,研究者对石墨烯未来在纳米电子学、材料科学、凝聚态物理以及低维物理方面的应用产生了广泛的兴趣,但石墨烯在电子领域的应用受限于它的零带隙特性。为了打开石墨烯的带隙,研究者探索了许多方法,比如剪裁石墨成量子点、纳米带、纳米网格或者把石墨烯铺到特殊的衬底上,其中一个可行的方法就是通过掺杂来调控石墨烯的电学性质,但本征石墨烯具有完美的蜂窝状结构,很难通过杂质原子的掺杂来调控其电学性能,为此,本文重点对N+离子注入实现石墨烯的掺杂进行了探索。本文制备了机械剥离和还原氧化两类石墨烯,利用光学显微镜、AFM、拉曼光谱、傅里叶红外光谱、XPS、AES等手段对石墨烯进行了表征;对两类石墨烯分别进行了N+离子注入和随后的退火处理,成功实现了两类石墨烯的掺杂;并制备了相应的石墨烯场效应晶体管,研究了其电学性能。得出的主要结果如下:①利用表征石墨烯的重要工具——拉曼光谱,研究了石墨烯缺陷的变化与离子注入剂量之间的关系。得到了合适的离子注入的剂量:1×1014 cm-2,在此剂量下,石墨烯表面会有适当的缺陷用来掺杂,并且这些缺陷可以通过退火来消除;②发现在氮气中退火样品的拉曼光谱谱峰的蓝移比在氨气中的明显。这可能是因为在氨气中退火后氮原子掺杂进石墨烯,使得石墨烯产生较小的应变;③采用XPS和AES检测了在氮气和氨气气氛中退火的离子注入石墨烯样品。结果显示,在氮气中退火的样品中没有N信号,而在氨气退火的样品中有N信号。结果说明了离子注入的石墨烯通过在氨气中退火,实现了N掺杂;④为了研究不同石墨烯样品的电学性质,制备了背栅石墨烯场效应晶体管。结果显示,本征石墨烯场效应晶体管是双极晶体管,它的电导最小值位于正栅压位置,说明石墨烯是p-型掺杂。用在氮气中退火的离子注入石墨烯制备的场效应晶体管的双极特性消失了,电导最小值仍然处于正栅压位置,还是p-型掺杂。用在氨气中退火的离子注入石墨烯制备的场效应晶体管显示出了双极特性,在真空中它的电导最小值位于负栅压位置,表明是n-型掺杂。此外,本文还研究了还原石墨烯的掺杂,利用拉曼光谱和傅里叶红外光谱表征了N+离子注入后的还原石墨烯的结构,制备了场效应晶体管,并测试了其电学性能。结果发现,N+离子注入还原石墨烯和本征石墨烯不同,N+离子与还原后的氧化石墨烯表面的官能团发生了反应,从而起到了掺杂的效果。通过场效应晶体管的测试发现N+离子注入具有调节晶体管阈值电压的功能。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 石墨烯的性质
• 1.3 石墨烯的制备
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 石墨烯掺杂的研究现状
• 1.4.2 石墨烯场效应晶体管及其他器件的研究现状
• 1.5 问题的提出及意义，研究目的和内容
• 2 石墨烯的制备及表征
• 2.1 引言
• 2.2 石墨烯的制备及表征
• 2.2.1 石墨烯的制备及形貌
• 2.2.2 石墨烯的拉曼光谱
• 2.2.3 石墨烯的元素分析
• 2.3 石墨烯的场效应晶体管及其性质
• 2.3.1 MOS 场效应晶体管原理
• 2.3.2 石墨烯场效应晶体管的结构、原理及制备
• 2.3.3 石墨烯场效应晶体管的性质
• 2.4 本章小结
• 3 N 掺杂石墨烯及其场效应晶体管
• 3.1 引言
• 3.2 石墨烯的N 掺杂
• 3.2.1 离子注入及快速退火
• 3.2.2 石墨烯缺陷分析、恢复及掺杂
• 3.2.3 N 掺杂石墨烯元素分析
• 3.3 N 掺杂石墨烯场效应晶体管
• 3.4 本章小结
• 4 还原的氧化石墨烯掺杂及其场效应晶体管
• 4.1 引言
• 4.2 氧化石墨烯的制备、表征及还原
• 4.2.1 氧化石墨烯的制备
• 4.2.2 氧化石墨烯的表征
• 4.2.3 氧化石墨烯的还原及离子注入
• 4.3 氧化石墨烯场效应晶体管
• 4.3.1 场效应晶体管的制备
• 4.3.2 还原后的氧化石墨烯场效应晶体的性能及分析
• 4.4 本章小结
• 5 总结、后继工作与展望
• 5.1 总结
• 5.2 后继工作与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录