1. 提出退火溫度與背景真空度的調控策略，識別O2、H2O吸附分子對三層石墨烯的競爭摻雜。2. 建立競爭摻雜模型，揭示O2、H2O、熱電子競爭摻雜三層石墨烯機制。3. 首次構建理論模型，支撐石墨烯的O2誘導p型摻雜與熱電子n型摻雜。
圖1. 三層石墨烯的分子（O2、H2O）吸附與熱電子的競爭摻雜。二維材料的旋轉「魔角」、 插層化學「魔距」、組裝超晶格等層間調控與應用開發給多層二維材料的研究注入動力。在開發高性能、低功耗的二維碳基器件，探索超越摩爾的微納器件，構建石墨烯基集成電路等領域，一直是目前超摩爾定律時代亟需解決的技術瓶頸，也是硅基集成電路的替代方案。低功耗器件作為「後摩爾時代」集成電路的一個重要突破口，在實際器件應用中，會遇到O2、H2O、吸附氣體分子與支撐基底的非故意摻雜，進而影響器件的彈道輸運及其功率損耗。因此，研究O2、H2O、支撐襯底等三種摻雜因素對輸運層的競爭摻雜調製；吸附氣體分子與支撐基底的非故意摻雜，進而影響器件的彈道輸運及其功率損耗。因此，研究O2、H2O、支撐襯底等三種摻雜因素對輸運層的競爭摻雜調製；靈活設計實驗，洞察不同的摻雜貢獻；建立機理模型並執行理論研究去驗證模型等科學問題，還懸而未解。圖2. 三層石墨烯場效應晶體管的摻雜調控與電荷輸運。
通過微機械剝離技術獲得三層石墨烯（trilayer graphene，TLG），並通過范德華電極轉移技術製備三層石墨烯場效應晶體管（圖2a）。對溝道石墨烯進行分析，基於拉曼光譜（圖2b）的G峰和2D峰位置與高度比值，以及AFM台階圖（圖2c），均表明製備的是三層石墨烯。在低真空條件下測試石墨烯場效應器件的轉移特性曲線（圖2d），獲得其電荷中性點電壓(VCNP)隨着溫度變化，有向負柵壓方向移動的趨勢；為了驗證這一實驗現象，對另一個受控多層石墨烯樣品進行了同樣的轉移特性測試，發現了同樣的移動趨勢(圖2f)；而且溫度效應調製VCNP移動的行為是可重複的。在場效應晶體管的轉移特性分析中，正VCNP表現出p型摻雜行為，而負VCNP表現出n型摻雜。因此，在低真空條件下器件工作溫度導致VCNP位移，表明溫度調製可誘導石墨烯的摻雜類型、或調控其功函數。為解釋這一實驗現象，增加真空度調製，即在溫度調製的同時，改變器件工作真空度，進而調控石墨烯表面的吸附原子類型。其中，對於主要吸附的H2O分子，高真空且高溫條件（>180~200 °C）可實現物理解吸附。因此，通過靈活溫度與真空度實驗設計，可調控石墨烯吸附的O2與H2O分子類型；並結合襯底與石墨烯異質結界面電勢分布，可得到氧化物襯底有熱電子注入石墨烯，誘導石墨烯n型摻雜。基於器件工作過程中吸附H2O的情況，將器件分為乾燥（dry）和潮濕（wet）背景條件；並基於背景真空度的調製，繼續將器件的工作條件分為高真空條件以及大氣環境，基於此，建立起三層石墨烯的競爭摻雜調製模型（圖3）。
如圖3所示，基於真空度的調製，可控制石墨烯表面吸附分子的數量。其中，由於O2的滲透性，它很難被去除，它導致石墨烯的p型摻雜。另外，在低工作溫度(< 180 °C)的濕環境下，若是低真空環境中，吸附H2O分子不能完全去除；若在高真空度下，H2O是容易解吸附的，此時不需要考慮H2O摻雜效應；而且H2O屬於弱空穴摻雜，並可通過氧化還原反應增強O2的吸收穩定性：因此，獲得石墨烯的競爭摻雜機制：在濕及高真空環境下，殘留O2的空穴與虛擬襯底電子的競爭摻雜（圖3a）；在濕及低真空環境（甚至大氣壓）下，O2作為主要的p型摻雜，H2O協助其吸附，導致顯著的P型摻雜，VCNP向正偏壓移動（圖3b）；在乾燥及高真空環境下，O2的空穴摻雜因解吸附增加而得到緩解；並隨着襯底溫度增加，熱注入電子增加，並以熱電子摻雜為主，VCNP向負偏壓移動（圖3c）；在乾燥及低真空環境下，O2的空穴摻雜及襯底熱電子注入的競爭摻雜，但因O2濃度高而以空穴注入為主（圖3d）。石墨烯正是通過表面吸附分子及襯底注入電子的同步摻雜，實現石墨烯的競爭摻雜調製。
總之，為證明實驗結論以及模型的合理性，對不同SiO2襯底終端和吸附分子組裝石墨烯的結構進行了第一性原理理論研究。其中，Bader轉移電荷為正時，表明得到電子，正值越大，說明電子濃度越大，導致摻雜行為增強，反之亦然。13個體系的DFT計算結果證明：(1)氧化物襯底誘導n型摻雜。H鈍化Si終端的SiO2襯底使TLG弱n型摻雜或形成小功函數；(2)本徵三層石墨烯的功函數為4.286 eV；(3)分子吸附物的可調控。即H2O的吸附對石墨烯的影響變化不大；O2誘導p型摻雜；H2O增加O2吸附的結合能，使得P型摻雜更明顯；(4)隨着O2分子吸附數目的增加，功函數增大，使石墨烯成為p型摻雜；(5) 電荷轉移與功函數趨勢一致。本研究結合實驗和理論計算，揭示了真空度和溫度對三層石墨烯摻雜類型、功函數的調製規律，建立了O2、H2O、襯底競爭摻雜模型，為低功耗碳基納米電子學器件設計提供參考。
Insight into the underlying competitive mechanism for the shift of thecharge neutrality point in a trilayer-graphene field-effect transistorT. Huang, J.F. Ding, Z.R. Liu, R. Zhang, B.L. Zhang, K. Xiong, L.Z. Zhang, C. Wang, S.L. Shen, C.Y. Li, P. Yang, F. Qiu*eScience 2 (2022) 319-328DOI: 10.1016/j.esci.2022.03.005
通訊作者 邱鋒
省引進人才，美國化學會會員。2013年博士畢業於中國科學院上海技術物理研究所，獲微電子學和固體電子學學位；同年，加入雲南大學材料學院工作；並2014年赴復旦大學訪學。主要從事低維光電材料及其新型光電探測器研究。近年來，組建2D-X group團隊在二維原子晶體與光吸收材料，新型光電探測器與太陽能電池，第一性原理及器件量子輸運模擬，大尺寸高品質InP、Ge、GaSb單晶襯底生長等領域開展了系列研究；主持國防科技專項、國家自然科學基金、省基礎研究計劃重點項目、省重大科技專項子課題等多項課題；2018年獲得雲南省自然科學一等獎；2020年獲雲南省高層次人才專項；以第一作者及通訊作者在ACS Nano、Chip、Carbon、ACS AMI、Solar RRL、ACS Appl. Electron. Mater. (期刊封面) 等國際權威期刊發表多篇研究成果。http://www.mse.ynu.edu.cn/zh-hans/node/32
雲南大學碩士研究生
2018級雲南大學材料與能源學院碩士研究生，研究石墨烯材料生長、物性調控及石墨烯基場效應晶體管的器件性能研究。
雲南大學碩士研究生
2019級雲南大學材料與能源學院碩士研究生，專注於半導體材料的第一性原理及器件量子輸運的理論計算研究，曾以第一作者在ACS Appl. Electron. Mater發表封面研究論文。
學術交流群
為了給同學們提供一個相互交流學習的平台，eScience建立了智能電子器件群、光電群和分析表徵群。群主會不定期分享該領域的最新研究進展和會議信息，歡迎同學們掃碼入群。更多微信群信息請關注eScience公眾號。
eScience (國際刊號ISSN：2667-1417；國內出版物號CN12-1468/O6) (《電化學與能源科學（英文）》)，致力於發表能源、電化學、電子學和環境相關領域及其交叉學科具有原創性、重要性和普適性的最新研究成果。成功入選2020年度中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目，2022年初被DOAJ數據庫收錄。目前，eScience已有四期論文上線，受到海內外專家學者的廣泛關注。未來，將繼續提升國際學術影響力，服務科技強國建設，助力「碳達峰」和「碳中和」國家重大戰略目標。
http://www.esciencemag.com
留言列表