石墨烯制备掺杂及其运用

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石墨烯其他运用——太赫兹调制器
1. 宽带调制具有调制深度高，损耗小的特点。 2. 通过施加一个电压两者之间的电容耦合的 石墨烯层，在每一层中的相反类型的载流 子积累，从而改变太赫兹透射率，实现导 电性调制。
Sensale-Rodriguez B, Rusen Y, Lei L, et al. Graphene for Reconfigurable Terahertz Optoelectronics[J]. Proceedings of the IEEE. 2013, 101(7): 1705-1716.
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表面转移掺杂
Yu-Ming, L., et al. Chemical Doping of Graphene Nanoribbon Field-Effect Devices. in Device Research Conference, 2008. 2008. Santa Barbara, CA
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插入掺杂
Sarkar, D., et al., High-Frequency Behavior of Graphene-Based Interconnects—Part I: Impedance Modeling. Electron Devices, IEEE Transactions on, 2011. 58(3): p. 843-852.
石墨烯的制备掺杂和应用
Center for THz Research China Academy of Engineering Physics
ID
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石墨烯背景简介 石墨烯热门制备方法 石墨烯掺杂简介 全石墨烯单片逻辑电路 石墨烯其他运用
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机械剥离技术
环氧树脂与石墨烯之间强的作用力提出 了一种无刻蚀可重复生长转移单层石墨 烯的方法
T Yoon, W C Shin, T Y Kim et al. Nano Lett., 2012, 12 (3): 1448~1452 秋记与你分享
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仿真结果
静态噪声容量和反转特性 都优于22nmCMOS电路。
输出电流和静态电流之比 始终保持在1e3量级；
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采用CVD的方式，在有h-BNC 的容器中通入甲烷和氨气可以 形成(NH3–BH3)分子团，在 Cu基片催化下调节输入甲烷和 氨气的比例就可以实现NP型电 学特性。（P型常用）
在氧化石墨烯（GO）中通入 氨气，900℃退火，制造处类 似于AB的缺陷，N掺杂石墨烯 综合了电弧方法制造石墨烯和 氨等离子处理石墨烯，该方法 是化学掺杂中比较有前途的方 式。（N型常用）
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全石墨烯单片逻辑电路 电路特点
1. 全石墨烯电路，大幅降低互联电 阻 2. 电路静态性能优于22nmCMOS 性能：供电压，静电噪声限容和 功耗； 3. P+-i-N和P-i-N+石墨烯遂穿三极 管结构； 4. 沟道采用纳米带； 5. 理论计算采用紧束缚和非平衡格 林方程；
1. 结构：利用加速器将需要 注入的掺杂等离子注入石 墨烯中，注入粒子会代替 碳的位置，从而实现P型N 型掺杂。 2. 当离子质量数增加，掺杂 在石墨烯中的离子的比例 也增加了，这意味着离子 束能量和剂量相同的情况 下，质量越大的离子越容 易掺杂进石墨烯中。 3. 能量越高，对石墨烯损伤 越大。
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利用硅的高蒸汽压，在高温 ( 大于1400℃ ) 和超高真空 ( 小于10- 6Pa) 条件下，使硅 原子挥发, 剩余的碳原子通过结 构 重排在 SiC表面形成石墨烯层。 • 可获得大面积的单层石墨 烯，质量较高； • 单晶SiC的价格昂贵，生 长条件苛刻，且生长出来 的石墨烯难以转移。
Scientific Reports 2011 3,Article number:1148 doi:10.1038/srep01148
石墨烯其他运用——用于DNA测序
C T G A G
T
SiN
G A G T C A G T C G A G A
ssDNA
SiN的纳米孔孔腔长度远大于 两碱基之间距离，分辨率低
10-500 nm
C
纳米孔的直径是1.5nm， 相当于35个正六边形单元。
Holes with an edge NATURE 2010
采用成本低廉的无定形SiC取代昂贵的晶体SiC作为石墨烯的前驱体，结合成熟的氯化 技术(chlorination)，首次提出了一种通过无定形SiC氯化法合成石墨烯的方法。
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CVD法
利用甲烷等含碳化合物作 为碳源, 通过其在基体表 面的高温分解生长石墨烯
• 石墨烯质量很高, 可实 现大面积生长； • 较易于转移到各种基体 上使用； • 广泛用于制备石墨烯晶 体管和透明导电薄膜, 目前已逐渐成为制备高 质量石墨烯的主要方法；
Vg∝-Eext
Bokdam, M., et al., Electrostatic Doping of Graphene through Ultrathin Hexagonal Boron Nitride Films. Nano Letters, 2011. 11(11): p. 4631-4635.
在SiC基板上放置石墨烯，同时在石墨烯上覆盖强 吸收电子材料（比如F4-TCNQ-和F4-TCNQ0，TCNE或 是TPA等）在同步高分辨率光电子发射激光中将外 延层石墨烯制备成p型，石墨烯中的空穴浓度取决 于材料F4-TCNQ的面积。
如果选用石墨烯的SiC和SiO2基片，石墨烯本身就表现出N型，在不同的气 体中可以石墨烯导电率有不同的形式，其中氨气跟石墨烯具有更好的吸附 性，对于掺杂后的石墨烯在20k超高真空条件（UHV）下实验得到导电率随 Vg改变明显。 秋记与你分享 静思笃行 持中秉正
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缺陷掺杂
Yu-Ming, L., et al. Chemical Doping of Graphene Nanoribbon Field-Effect Devices. in Device Research Conference, 2008. 2008. Santa Barbara, CA.
石墨烯背景
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石墨烯的物理特性
Nano Lett., DOI: 10.1021/nl204414u 秋记与你分享
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石墨烯热门制备方法
• 利用电化学（PMMA）、 腐蚀和机械分离等办法 转移石墨烯。
( a ) 渗碳析碳机制 ( b) 表面生长机制示意图
Y Wang, Y Zheng, X F Xu et al. ACS Nano, 2011, 5 (12): 9927~9933 秋记与你分享 静思笃行
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针对CVD法生成的石墨烯的转移
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互连工作原理
当EF,N高于导带能级，P+-i-N和 P-i-N+石墨烯遂穿三极管互连有 导通窗口；
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VF和N型参杂影响传输线的IV特性，从而影响互连石墨烯 到点性能； 静思笃行 持中秉正
双管工作原理
对于文章中设计的 串联晶体管，无论 输入高地电平，仅 有一个三极管能正 常工作。当输入高 电平时能带变化如 图a，输出0，如果 输入0，则得到eVDD。
机械剥离 碳化硅外延生长法 CVD法
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机械剥离
机械剥离：具有过程简单, 产物质量高的优点, 所以被 广泛用于石墨烯本征物性 的研究, 但产量低, 难以实 现石墨烯的大面积和规模 化制备。 高定向热解石墨（HOPG）
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碳化硅外延生长法
腐蚀基体法 电化学转移技术 机械剥离技术
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腐蚀基底法
聚甲基丙烯酸甲酯PMMA
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电化学转移技术
Y Wang, Y Zheng, X F Xu et al. ACS Nano, 2011, 5 (12): 9927~9933 秋记与你分享
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总结
石墨烯电性能优异 大规模制备存在问题 有很好的运用前景 大量器件仍在仿真阶段 。。。。。
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THANK YOU！
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单管工作原理
1. 选择P+-i-N和P-iN+石墨烯遂穿三极 管结构因为提高开 关电流比至1.6e3； 2. 当加入栅极电压使 得能级Ev.p>Ee,i发 生遂穿； 3. 调节源漏极掺杂势 垒可以控制晶体管 开关性能以及栅极 开关电压；
电路开关电压和PN掺杂以及石墨烯带能级Eg关系：
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石墨烯掺杂简介 静电掺杂（最具优势） 缺陷掺杂 表面转移掺杂 插入掺杂
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静电掺杂
1. 结构：在底层铜（111晶面）+hBN （六边形）—顶层石墨烯。 2. 结论：用该种方法可以实现石墨烯掺杂 得益于铜和石墨烯之间有势垒差，导致 在Cu|BN和BN|石墨烯界面出现电荷移 动，同时掺杂水平会随着h-BN层厚度变 薄而变高。如果给予外界电场将会改变 电子流向，改变费米能级脱离零点，抬 高和降低从而实现pn型变化。