石墨烯纳米带场效应管
石墨烯基础知识简介
1. 石墨烯（Graphene）的结构石墨烯是一种由碳原子以sp 2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。
如图1.1 所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1 和a2 定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。
C原子外层3 个电子通过sp2杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4 个电子为公共，形成弱π键（紫）。
石墨烯的碳- 碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p 轨道均与sp 2杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。
如图1.2 所示，石墨烯是富勒烯（0 维）、碳纳米管（1 维）、石墨（3 维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。
形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。
每个碳原子通过sp 2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。
图1.1 （a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。
图1.2 石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。
前两类具有相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。
双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。
单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene ）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
石墨烯的应用
石墨烯的应用
石墨烯是一种具有单层碳原子排列成的二维晶格结构的材料，具有许多独特的物理、化学和机械性质，因此在多个领域都有广泛的应用。
以下是一些常见的石墨烯应用：
1.电子器件：由于石墨烯具有高电子迁移率、高载流子迁移率和优异的电导率，因此被广泛应用于电子器件中，如场效应晶体管（FET）、透明导电膜、逻辑电路等。
2.光学器件：石墨烯具有宽带隙和高吸收率的特点，可用于太阳能电池、光电探测器、激光器等光学器件中，提高光电转换效率和传感性能。
3.储能设备：石墨烯在锂离子电池、超级电容器等能量存储设备中具有重要应用。
其大表面积、高电导率和快速离子传输性能有助于提高能量密度和充放电速度。
4.传感器：石墨烯具有高比表面积和化学惰性，可用于气体传感器、生物传感器等传感器设备中，检测环境中的气体、生物分子等。
5.强化材料：石墨烯可以增强复合材料的力学性能，提高材料的强度、刚度和耐磨性，常用于航空航天、汽车制造、体育用品等领域。
6.生物医学：石墨烯在生物医学领域具有潜在应用，可用于药物输送、生物成像、组织工程等。
其生物相容性和表面修饰的可调控性使其成为生物医学材料的研究热点。
7.热管理：石墨烯具有优异的热导率和导热性能，可用于热界面材料、散热器、导热膏等热管理领域，提高热传递效率。
总的来说，石墨烯作为一种多功能的纳米材料，在电子学、光学、能源、生物医学和材料科学等领域都有着广泛的应用前景。
石墨烯材料的特点以及在各个领域中的应用
石墨烯材料的特点以及在各个领域中的应用
石墨烯是一种由碳原子构成的单层薄炭素材料，具有许多独特的特点和广泛的应用。
以下是石墨烯材料的特点以及在各个领域中的应用。
特点：
1. 高强度和高硬度：石墨烯的强度比钢高200倍，硬度比金刚石高五倍。
2. 轻量和薄：石墨烯仅有一个原子层厚度，非常轻便。
3. 电子迁移速度快：电子在石墨烯中移动的速度非常快，是现有材料的几百倍。
4. 热稳定性好：石墨烯可以承受高温，不易熔化或分解。
5. 非常透明：石墨烯能够使90%的光线穿透，是目前已知的最透明的材料之一。
应用：
1. 电子学：石墨烯非常适合用于电子学领域，因为它的电子迁移速度非常快，在电子器件中能够提供更快的信号传输速度。
例如，石墨烯可以用于制造晶体管、场效应晶体管和光电二极管等。
2. 医学：石墨烯可以用于制造医用传感器和医疗设备。
例如，石墨烯传感器可以检测人体内某些化学物质的浓度，对于监测病情和治疗非常有用。
3. 能源：石墨烯还可以用于制造太阳能电池和储能器。
例如，石墨烯太阳能电池可以将太阳能转换为电能，而石墨烯储能器可以在短时间内存储大量电能。
4. 环境保护：石墨烯可以用于净化和过滤水和空气。
例如，石墨烯纳米过滤膜可以去除水中的杂质和污染物，而石墨烯纳米过滤器可以去除空气中的有害物质和颗粒物。
总之，石墨烯具有许多独特的特点和广泛的应用，在未来的科技领域中具有重要的发展前景。
二维材料 场效应晶体管材料
二维材料场效应晶体管材料
二维材料场效应晶体管材料是指由单层或几层原子组成的材料，其具有优越的电学、光学、热学和力学特性，因此被广泛应用于电子学领域中。
其中，场效应晶体管是一种重要的器件，可以实现信号放大和开关控制等功能。
在二维材料中，常用的场效应晶体管材料包括石墨烯、过渡金属二硫化物、磷化硼等。
其中，石墨烯是最早被研究的二维材料之一，具有高载流子迁移率和宽的能带结构，可以实现高速电子传输。
而过渡金属二硫化物则具有较大的间隙，可以实现高电子浓度和高电导率。
磷化硼则具有优异的热稳定性和较高的载流子迁移率，适用于高温环境下的电子学器件。
二维材料场效应晶体管材料的研究不仅有助于更好地理解这些
材料的电学特性，还为未来的电子学器件设计提供了更多的可能性。
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石墨烯光学性质以及二维材料的纳米光子学性质浅析
使光集中用于等离子体共振，从而使局部电场得到显著增强。在量子效 率方面得到巨大提高。但也会导致可操作宽带的范围减少。
② 整合量子点和石墨烯
用胶体量子点覆盖石墨烯可以获得具有能够获得具有 108 电子/光子的的超高光电探测和 107AW-1 的光响应的光电探测器。但由于需要长时间产生增益， 它们的运算速度也很低。
石墨烯等离激元学
由于石墨烯同时具有高的载流子迁移率和高导电性，它也成为了一种极具前 景的太赫兹到中红外等离子体器件应用的候选材料。等离子体具有高局域场 强度，广泛用于包括光学天线，近场光学显微镜，化学和生物传感器和亚波 长光学器件等。和传统等离子材料相比具有以下优点： ① 可以通过化学掺杂和门电压调控。 ② 具有更强的局域性 ③ 低损耗和长寿命 ④ 结晶度
过渡金属二硫化物光子学
过渡金属二硫化物(TMDCs)是化学公式为MX2的材料，M代表Mo、W、Nb、Re 这一类元素，X是硫元素。
TMDCs的层间相互作用是弱范德华力，而平面成键是强共价键。因此TMDCs 可以被剥离到类似石墨烯的薄膜结构，显著地扩展了二维材料的材料库。一 些二维的TMDCs，如钼和钨的硫化物，在多层的形式中有间接带隙，而在它们 的单层形式中成为直接带隙半导体。他们相当大的和可调带隙，不仅仅能产 生强的光致发光，也能打开像光电探测器，能量收集器，电致发光等光电器 件的大门。而且不同于石墨烯基器件，他具有可操作的光谱范围。另外，在 一些二维的TMDCs中已经证明了的奇异光学性质，如谷相干和谷选择性的圆二 色性，使这些材料非常有希望发现新的物理现象。
① 光与石墨烯的相互作用从能带跃迁的角度主要有两种：带间跃迁和带内跃 迁。远红外和太赫兹光谱区为带内跃迁，近红外及可见光光谱区主要是带 间跃迁；
硅基石墨烯场效应管关键工艺研究
究， 以提 高器 件 性 能 。优 化 后 的 工 艺 降低 了制 作 过 程
中石 墨烯 的掺杂 ， 减小 了场效应 管 的接触 电阻 ， 增 大 跨
导
石 墨烯 的接 触 电阻率为 １ ． １ ×１ ０ Ｑ ・ ｍ， 而金 属 下 石 墨烯 的 电 阻率 为 ２ ． ４ ×１ Ｏ Ｑ ・ ｍ； 应 用射频 和微 波 等 离子 体 系统对 石 墨 烯进 行 刻 蚀 ， 微 波 等 离子 体会 造 成
片悬 浮在硫 酸铜 与 盐 酸 的｝ 昆合 溶 液 中腐 蚀 掉 铜 ， 再 将 所需 的石 墨烯转移 到 目标 衬底 上 。以 ４英 寸 的重掺 杂
的 Ｐ型硅 作 为 衬底 ， 表面有 ３ ０ ０ ｎ ｍ 的Ｓ ｉ Ｏ 。器 件 用 传统 光 刻 制 得 。运 用 热 蒸 发 的 方 式 获 得 Ｔｉ ／ Ａｕ（ １ ０ ｎ ｍ／ ５ ０ ｎ ｍ） 的 电 极 。Ｓ Ｕ一 ８形 成 沟 道 并 作 为 绝 缘 层 。 图 １中的沟道 宽度 为 ２ Ｏ ｍｍ。器件 性 能是在 室温 下用
波长决 定 。光线 由 空气 入 射 到 ３层 结 构 中 ， 包 括 石 墨
烯、 ｓ ｉ ０。 和硅 （ 如 图 ２所示 ） 。Ｓ ｉ 层 中以复 折射 系数 。
（ Ａ ） 表示 ， Ｓ ｉ ｏ。 层 中以 Ｓ ｉ Ｏ 。 厚度 ｄ 。和 折 射 系 数 ” （ ）
较 之传统 的半 导 体 器件 ， 石 墨烯 器 件 可 以在 更 高 的频 率 下运行 。未来 产 业 中， 石 墨烯 可 以替 代 硅 材 料 来 提高集 成 电路 的性 能［ ５ ］ 。为 加 速 石 墨 烯 的应 用 ， 研
石墨烯表面处理技术
石墨烯表面处理技术石墨烯表面处理技术是一种对石墨烯进行化学修饰和功能化的方法，可以改变石墨烯的特性和应用范围。
石墨烯作为一种二维材料，具有优异的电学、热学和力学性能，因此在能源存储、传感器、电子器件等领域具有广泛的应用前景。
然而，石墨烯的应用受到其本身的特殊结构和化学惰性的限制，需要通过表面处理来改善其性能和功能。
石墨烯表面处理技术主要包括物理和化学两种方法。
物理方法包括机械剥离、离子注入和高温退火等，可以改变石墨烯的形貌和结构。
化学方法则通过在石墨烯表面引入不同的官能团，改变其化学性质和功能。
在物理方法中，机械剥离是一种常用的制备石墨烯的方法。
通过在石墨晶体表面施加机械力，可以使石墨晶体层层剥离，最终得到单层的石墨烯。
这种方法简单易行，但是得到的石墨烯质量和尺寸有限。
离子注入则是通过将离子加速到高能量，使其撞击到石墨烯表面，从而改变石墨烯的性质。
高温退火则是将石墨烯加热到高温，使其分子间的键重新排列，修复石墨烯的结构缺陷。
化学方法中，最常用的是氧化石墨烯（GO）的还原。
氧化石墨烯是一种将石墨烯表面引入氧官能团的方法，可以增加石墨烯的亲水性和分散性。
通过还原氧化石墨烯，可以去除氧官能团，得到还原石墨烯（rGO）。
rGO具有良好的导电性和机械性能，可以用于电子器件和储能材料。
此外，还可以通过在石墨烯表面引入其他官能团，如氨基、羟基等，来赋予石墨烯特定的性质和功能。
石墨烯表面处理技术可以改变石墨烯的物理性质和化学活性，从而扩展其应用领域。
例如，在电子器件方面，通过在石墨烯表面引入氧化物或金属纳米颗粒，可以制备石墨烯场效应晶体管和石墨烯超级电容器。
在储能材料方面，将石墨烯表面进行氮掺杂或磷掺杂，可以提高其储能性能，用于制备超级电池和超级电容器。
此外，石墨烯表面处理技术还可以用于制备石墨烯基传感器，通过在石墨烯表面引入特定的官能团，实现对特定气体或化学物质的高灵敏检测。
石墨烯表面处理技术是一种对石墨烯进行化学修饰和功能化的方法，可以改变石墨烯的性质和功能，扩展其应用领域。
石墨烯的研究进展
石墨烯的研究进展刘乐浩，李铁虎，赵廷凯，王大为(西北工业大学材料科学与工程学院，西安710072)摘要石墨烯是碳的又一同素异形体，具有独特的二维结构和优异的力学、电学、光学、热学等性能，成为富勒烯和碳纳米管之后的又一研究热点。
全面综述了近几年来石墨烯的制备方法，洋细讨论了微机械剥离法、化学剥离法、化学合成法、外延生长法、电弧法、化学气相沉积法的优缺点，并针对制备方法存在的产量低、结构不稳定、高污染等问题，提出了一些大规模可控制备高质量石墨烯的建议。
还结合石墨烯的结构和特性，概括了石墨烯在复合材料、微电子、光学、能源、生物医学等领域的应用进展，并展望了其主要研究方向和发展趋势。
关键词石墨烯制备方法应用中图分类号：〇613. 71 文献标识码：Research Progress on GrapheneLIU Lehao，LI Tiehu，ZHAO Tingkai，WANG Dawei (School of Materials Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi，an 710072)Abstract As an allotrope of carbon，graphene has become a research hotspot due to its unique two-dimensional structure and excellent mechanical，electrical，optical and thermal properties. Synthesis of graphene via different approaches ，such as micro mechanical stripping， chemical stripping， chemical synthesis， epitaxial growth， arc dis- charge，and chemical vapor deposition， are discussed in detail， and strategies for producing homogeneous graphene with improved yield and structural stability while limiting its pollution are proposed. Also application progress of gre- phene in polymer composites，micro electronics， optics， energy and biomedicine are summarized， and the main research direction and development trend are imagined.Key words graphene，preparation methods，applicationo引言富勒烯[1]和碳纳米管[2]已经成为碳材料研究的热点，而在2004年，Geim等[3]又发现了碳的又一同素异形体——石墨烯（Graphene)。
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2011-12-22 成都 石墨烯纳米带场效应管原理 微电子与固体电子学专业 学生 潘立丁 S111411 指导教师 石瑞英 摘要：由于石墨烯的导带与价带之间没有能隙，做成晶体管器件时，很难实现开关特
性，而且若要运用于现在普遍使用的逻辑电路，其金属性也是一个巨大的难题。如何在石墨烯中引入能隙，成为了石墨烯晶体管器件制造的关键。本文主要关注的石墨烯纳米带场效应管，通过对肖特基势垒石墨烯纳米带场效应管和金属氧化物半导体石墨烯纳米带场效应管这两种结构进行对比和分析来了解其主要特性。 关键词：石墨烯 纳米带 场效应管 肖特基势垒 Abstract：Because there is no energy gap in graphene，it is very difficult to achieve on-off characteristic while use it to make transistors, and it is metallic behavior also have been a big problem if we want to use it in logical circuits. How to get an energy gap in grapheme has become the key point of the fabrication of grapheme transistors. This paper focus on graphene nanoribbon FETs, the comparison of two structures (GNR SBFET and GNR MOSFET) is used to analyze the main behaviors of graphene nanoribbon FETs. Key words：graphene nanoribbon field-effect-transistor schottky barrier 1、 引言 石墨烯[1]（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。2004年，石墨烯被成功地从石墨中分离出来。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料 ，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比碳纳米管或硅晶体迁移率高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子传输的速度极快，因此被期待为可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或电晶体的材料。
2、 石墨烯纳米带基本结构 目前已知可以在石墨烯中引入能隙的手段主要有：(1) 利用对称性破缺场或相互作用等使朗道能级发生劈裂，在导带与价带之间引入能隙。这主要通过掺杂、外加电场、化学势场等方式在双层石墨烯中引入对称破缺，实现人工调制能隙。(2) 利用量子陷阱效应和边缘效应，通过形成石墨烯纳米结构(如纳米带)引入能2011-12-22 成都
隙，通过调节带宽，可以实现对能隙宽度的调节。(3) 利用化学气相沉积法掺杂产生能隙，通过调节掺杂程度可实现对能隙的调节。(4) 利用基底作用诱导(如SiC基底上的外延石墨烯)产生能隙，通过调节基底的作用程度可实现对能隙的调节。本文主要关注的是石墨烯纳米带结构。 为了要赋予单层石墨烯某种电性质，会按照特定样式切割石墨烯，形成石墨烯纳米带（Graphene nanoribbon）。切开的边缘形状可以分为扶手椅形[2]（图1a）和锯齿形[3]（图1b）。
a 扶手椅形纳米带 b 锯齿形纳米带
图1 根据密度泛函理论计算得到的结果，显示出扶手椅形具有半导体性质，其能
隙与纳米带带宽成反比。而采用紧束缚近似模型做出的计算，预测锯齿形具有金属键性质，又预测扶手椅形具有金属键性质或半导体性质；到底是哪种性质，要依宽度而定。实验结果明确显示，随着纳米带带宽减小，能隙会增大。 石墨烯纳米带的边缘效应[4]如图2所示。
图2 影响边缘散射的因素主要是纳米带宽度和边缘粗糙程度。加上晶格声子散射和量子陷阱等作用，石墨烯纳米带就具备了产生能隙的因素。而一些人也通过计算和模拟的方式来分析其影响。 由图3和图4可以看出，扶手椅形纳米带在n为适当值的情况下，显示出半导体的特性，其能隙也可以利用到电子器件中，从而为石墨烯纳米带场效应管的2011-12-22 成都
产生提供了条件。锯齿型结构石墨烯纳米带显示出较强的金属特性。数字电路应用主要集中在用扶手椅型作为沟道材料。
n = 3 n = 4 n = 5 n = 6 n = 7 n = 8 图3 采用紧束缚近似计算得出的扶手椅形纳米带结构带宽与能隙的关系 其中n为纳米带边缘碳原子个数
n = 4 n = 6 n = 8 n = 10 n = 12 n = 14 图4 采用紧束缚近似计算得出的锯齿形纳米带结构带宽与能隙的关系 其中n为纳米带边缘碳原子个数 3、 石墨烯纳米带场效应管结构及特性 典型的石墨烯纳米带场效应管[5、7]结构图如图5所示。以碳化硅为衬底，沟道材料为石墨烯纳米带，源和漏采用肖特基接触，而栅介质层则用氧化铝和氢烷。 2011-12-22 成都
图5 石墨烯纳米带场效应管结构 图6显示的是在图5中结构之下纳米带宽度为10nm，长度1.5um，栅介质厚度为15nm，漏源电压为20mV的情况下，在4K和295K下的开关效率。我们可以看到温度对石墨烯纳米带场效应管的开关效率影响非常之大。
图6 不同温度下的开关效率 图7 4K情况下的石墨烯纳米带场效应管输出特性曲线 由图7我们也可以看到，虽然石墨烯纳米带场效应管有良好的开关效率、截止频率等等特性，但是没有饱和特性，也就是非常难以在数字电路中得到广泛的应用。 下面我们再通过两种不同结构来对比分析石墨烯纳米带场效应管的结构及其特性。这两种结构分别是肖特基势垒石墨烯纳米带场效应管[6]（GNR SBFET）和金属氧化物半导体石墨烯纳米带场效应管（GNR MOSFET）。 2011-12-22 成都
如图5所示，其中图5a为肖特基势垒石墨烯纳米带场效应管剖面结构，沟道材料为石墨烯纳米带，而源漏采用肖特基接触。通过调制经过肖特基势垒的量子隧穿电流来调制沟道电流。而图5b则是MOS结构石墨烯纳米带场效应管，其源漏都采用掺杂的方式。
图5 (a) GNR SBFET (b) GNR MOSFET 目前对石墨烯纳米带场效应管的电流电压特性分析大部分都采用计算机辅助模拟的方式，我们可以参考Youngki Yoon[6]等人对理想肖特基势垒石墨烯纳米带场效应管和MOS结构石墨烯纳米带场效应管ID和VG特性模拟来分析其特点。 模拟器件[9]的条件：SiO2栅绝缘层的厚度为1.5nm，介电常数κ =3.9；沟道材料为n = 12的扶手椅形石墨烯纳米带，纳米带长度为15nm，宽度为1.35nm；禁带宽度为Eg ≈ 0.6 eV；肖特基势垒的高度等于禁带宽度的一半。
图6 理想GNR SBFET和MOSFET的ID-VG特性对比 如图6所示，a、b两图分别是GNR SBFET和GNR MOSFET的ID-VG特性。2011-12-22 成都
SBFET的最小漏电流为Ioff = 10-7 A，导通电压定义为Von = Voff + VDD。而a、b两图的灰色区域则定义为各个器件的工作电压。可以看到其工作电压的范围是相同的。图6c中显示的是栅极功函数调制之后的理想器件传输特性，此时关闭电压Voff可以调制到VG = 0V。模拟结果显示理想的GNR MOSFET比理想GNR SBFET多50%的离子含量。图6d是开启电流Ion和Ion/Ioff的关系。从图中可以看出GNR MOSFET比GNR SBFET有明显更好地开关效率。
图7 图7a是当VG = 0.5V时GNR SBFET和GNR MOSFET的ID-VD之间的关系。而图7b是当VD = VDD时输出电导与栅压的关系。而GNR MOSFET显示出来更好的饱和特性，输出电导更小。
图8 图8a显示的是截止频率fT与VG的关系。图8b显示的是传输延迟τ与Ion/Ioff
之间的关系。由此可见GNR MOSFET比GNR SBFET有着更高的截止频率和更
小的传输延迟。 由以上的对比我们不难看到，在理想情况下，GNR MOSFET器件显示出更好的特性：高开关频率、开启电流较大、跨导较大、更小的输出电导和更高的截止频率。 2011-12-22 成都
4、 总结 本文介绍了石墨烯纳米带的特性原理以及用石墨烯纳米带作为沟道材料的场效应管的特性原理。通过参考前人对肖特基结构和金属氧化物半导体结构石墨烯纳米带场效应管的特性对比来初步了解了其器件的电流电压特性和频率特性。因为石墨烯器件工艺条件的限制，本文的图表及数据均由计算机模拟加上理论方程的解答而得到。石墨烯具有零带隙的特殊性质，使得其在目前的逻辑集成电路中得运用非常困难，要成为目前成熟的硅工艺的替代者和硅电子集成电路的革命者，其要走的路还很长。最后感谢在此过程中指导我学习的石瑞英老师，感谢刘杰同学和刘艳同学在文献资料方面对我的帮助。