İlerleme | Grafen tane sınırlarının taşıma özelliklerinin incelenmesinde önemli ilerleme sağlanmıştır
Grafenle temsil edilen iki boyutlu atomik kristal malzemelerin yarı parçacıkları (örneğin eksitonlar, Dirac fermiyonları, vb.), Kuantum hapsetme etkileri nedeniyle oda sıcaklığı kuantum Hall etkisi gibi yeni kuantum özellikleri sergiler ve bu da ilgili yeni elektron türlerini teşvik eder. , Optoelektronik cihazların uygulanması ve diğer ilgili araştırmalar. İçsel elektriksel taşıma özellikleri, fotoelektrik özellikler ve diğer fiziksel özellikler ve hatta son cihaz uygulaması elde etmenin anahtarı, geniş alanlı, yüksek kaliteli numunelerin büyümesinde yatmaktadır. Son yıllarda, Çin Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü / Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Laboratuvarı'ndan Akademisyen Gao Hongjun'un araştırma grubu (hazırlık aşamasında), iki boyutlu atomik kristal malzemelerin kontrol edilebilir hazırlanması, fiziksel özellik ayarı ve prototip cihaz özelliklerinde bir dizi araştırma sonucu yaptı. 2007 gibi erken bir tarihte, ilk kez bir epitaksi yöntemiyle bir metal rutenyum tek kristalinin yüzeyinde santimetre boyutunda ve neredeyse kusursuz olan geniş alanlı, yüksek kaliteli tek katmanlı bir grafen elde ettiler. 2012 yılında, yarı iletken silikon malzeme, entegre elektronik cihazların uygulanmasında grafen ve silikon bazlı teknolojinin kombinasyonunu gerçekleştiren bir grafen / silikon / metal yapı oluşturmak için grafen ve metal substrat arasına başarıyla yerleştirildi. 2015 yılında, silikon atomları, grafen ve substrat arasındaki sinerjiyi ortaya çıkaran "silikon atomlarının kusurları-atom penetrasyon-kusurlu kendi kendine onarımı" indüklediği interkalasyon mekanizmasını önerdiler ve onayladılar. Aynı zamanda, epitaksiyel grafenin oda sıcaklığında Ru (0001) üzerinde düşük bariyerli bor ikame katkılamasını gerçekleştirdiler ve bu da grafenin delik katkısının gerçekleştirilmesi için değerli bir referans sağladı. Bu sonuç serisinin grafen elektroniği için önemli çıkarımları vardır.
Şu anda dünyada yaygın olarak kullanılan bir başka grafen sentez yöntemi, bakır folyo üzerinde milimetre veya hatta santimetre düzeyinde grafeni sentezlemek için kimyasal buhar biriktirme (CVD) kullanmaktır.Bununla birlikte, CVD yöntemiyle sentezlenen grafen genellikle Polikristalin özellikler. Bu polikristalin grafen tekli alanları arasındaki tane sınırları, mikro yapı üzerinde bükülmüş altı üyeli halkalardan ve altı üyeli olmayan halkalardan (beş üyeli, yedi üyeli ve sekiz üyeli halkalar) oluşur. Grafenin taşıyıcıları Bu kusurlar ek saçılma getirecek ve bu da iletkenlik ve hareketlilikte bir azalmaya neden olacak ve bu da grafenin elektronik devreler alanında uygulanmasını kısıtlayacaktır. Genel olarak konuşursak, insanlar genellikle grafen tane sınırlarının taşıma özelliklerini karakterize etmek için iki yöntem kullanır; biri Hall elektrotları yapmak için mikro işleme yöntemlerini kullanmak, diğeri ise taramalı prob mikroskoplarına dayanmaktadır. İlki, grafenin yüzeyine kirlilik getirecek ve böylece grafenin kendine özgü özelliklerini etkileyecektir. İkincisi, tarama tünelleme potansiyometresi (STP) ve Kelvin atomik kuvvet mikroskobu (KPFM) gibi grafen tane sınırlarını bulmak için çok zaman gerektirir. Bu nedenle, grafen alanlarının ve tane sınırlarının içsel elektriksel taşıma özelliklerinin ölçümünün hızlı ve tahribatsız bir şekilde nasıl gerçekleştirileceği son derece zordur.
Araştırma grubu, düşük boyutlu yapıların içsel elektriksel taşıma özelliklerinin çalışmasını etkili bir şekilde yürütmek için, sistemin sinyal-gürültü oranını, mekanik ve mekanik ve önemli ölçüde iyileştiren ticari bir dört problu taramalı tünelleme mikroskobu (STM) sistemini tamamen ve tamamen yeniledi. Sıcaklık kararlılığı, görüntüleme çözünürlüğü ve soğutma performansı. Tamamen değiştirilmiş dört prob sistemini kullanarak, bir SiO2 / Si substratına aktarılan tek kristal grafen üzerinde taşıma testleri gerçekleştirdiler ve grafen tek kristal taşıyıcı hareketliliği elde etmek için van der Pauw yönteminin kullanımını ilk kez rapor ettiler. Son zamanlarda, araştırma grubunun doktora öğrencisi Ma Ruisong, yardımcı araştırmacı Bao Lihong, vb., Grafen tane sınır direnci ve hareketliliğinin taşıma özellikleri hakkında sistematik ve derinlemesine bir çalışma yapmak için yukarıda bahsedilen dört problu STM'yi kullandı.
Şekil 1. (a) Bakır folyo üzerinde CVD yöntemiyle büyütülen grafenin optik mikrografı. (B) - (c) Bakır folyo üzerinde grafenin STM topografyası. (D) Şekil (c) 'deki mavi kutu alanına karşılık gelen genişletilmiş STM topografyası, sürekli Moore modelini göstermektedir. (E) (d) 'deki Moore modelindeki atomla çözümlenmiş STM görüntüsü.
Şekil 1'de görüldüğü gibi, CVD yöntemi ile bakır folyo üzerinde büyütülen grafenin boyutu, altıgen şekilli tek kristal grafen, çift kristal grafen ve polikristalin grafen dahil milimetre mertebesine ulaşabilir. Çok sayıda STM'nin karakterizasyonu, grafen tekli kristal alanlarının sürekliliğini ve yüksek kalitesini doğruladı.
Şekil 2. (a) SiO2 / Si substratına aktarılan iki kristalli grafenin optik mikrografı. (B) (a) 'daki üç bölgeye karşılık gelen Raman spektrumları.
Araştırma çalışması esas olarak, incelenen grafen tane sınırının benzersizliğini sağlamak için SiO2 / Si substratına (Şekil 2.a) aktarılan çift kristal grafene odaklanmıştır. Raman ölçümleri, çift kristal grafenin tek katmanlı özelliklerini ve düşük kusur özelliklerini gösterir (Şekil 2.b).
Şekil 3. (a) - (b) Dört prob yöntemi kullanılarak çift kristal grafenin her iki tarafındaki alanların taşıma özelliklerini ölçmenin şematik diyagramı. (C) Grafen tane sınırları boyunca dört problu taşıma testinin şematik diyagramı. (D) Grafen tane sınır direnci ve taşıyıcı hareketliliğinin model diyagramını edinin.
Şekil 3, dört sonda yöntemiyle elde edilen grafen tane sınır direncinin şematik bir diyagramını göstermektedir. İlk olarak, iğne besleme geri bildirim sinyali olarak geçit ve prob arasındaki kapasitansı kullandılar ve çift kristal grafenin her iki tarafındaki ve tane sınırı boyunca kristal alanların iki boyutlu direncini tahribatsız bir şekilde ölçmek için nokta temas elektrotları olarak dört STM probu kullandılar (Şekil 3. ac). Grafen tane sınırının özdirencini çıkarmak için, Şekil 3.d'de gösterilen tane sınırı genişleme modelini kurdular, yani grafen tane sınırı, belirli bir genişliğe sahip tek bir kristal alana eşdeğerdir.
Şekil 4. (a) İki boyutlu grafen alanlarının ve tane sınırı (GB-1) karşısında taşıyıcı konsantrasyonuna karşı iki boyutlu direnci. Ek, dört prob yöntemini kullanan çapraz grafen tane sınırı testinin optik bir mikrografıdır. (B) Tahıl sınırları boyunca deneysel veriler ile modele göre uydurulmuş veriler arasındaki karşılaştırma eğrisi. (C) Üç farklı grafen tane sınırının direnci, taşıyıcı konsantrasyonuna göre değişir. (D) Grafen kırışıklık-1 ve bir grafen kristal alanı boyunca taşıma testinin sonuçları. Soldaki resim, grafen kıvrımları boyunca taşıma testinin optik bir mikrografıdır. Sağdaki resim, grafen katın büyütülmüş bir optik mikrografıdır. (E) Çapraz kat taşıma testi verilerinin karşılaştırma eğrisi ve modele göre uydurulmuş veriler. (F) Grafen kıvrımlarının direnci, taşıyıcı konsantrasyonuna göre değişir.
Şekil 4. a, çift kristal grafenin her iki tarafındaki ve tanecik sınırındaki (GB-1) taşıyıcı konsantrasyonlu bölgelerdeki iki boyutlu direncin varyasyon eğrisidir. Bu genişletilmiş modele göre, farklı taşıyıcı konsantrasyonları altında grafen tane sınırlarının direncini iyi bir şekilde uydurabilirler (Şekil 4. b-c). Ayrıca yöntemi grafen kıvrımlarının taşıma testine de uyguladılar ve kıvrımlarda direnci elde ettiler (Şekil 4. d-f).
Şekil 5. (a) Grafen tane sınırı GB-S1'de farklı taşıyıcı konsantrasyonlarında iki boyutlu iletkenlik. Deliklerin ve elektronların taşıyıcı hareketliliği, eğrinin her iki tarafındaki doğrusal bölgelerin oturtulmasıyla elde edilebilir. (B) Yedi grup grafen tane sınırındaki ve iki grup grafen kıvrımındaki taşıyıcı hareketliliği.
Ayrıca, farklı taşıyıcı konsantrasyonlarındaki özdirence göre, Drude taşıma modeli, grafenin tane sınırlarında veya kıvrımlarında taşıyıcı hareketliliğini çıkarmak için kullanılabilir (Şekil 5). Sonuçlar, grafen tane sınırlarının hareketliliğinin, içsel grafeninkinden üç ila dört büyüklük sırası daha düşük olduğunu ve kıvrımların hareketliliğinin, içsel grafeninkinin yaklaşık 1/6 ± 1 / 5'i olduğunu göstermektedir. Bu çalışma, insanların grafen tane sınırları / kıvrımlarının içsel elektron taşıma özelliklerini anlamasını genişletiyor ve kusurların ve diğer mikroyapı özelliklerinin malzemelerin taşıma özellikleri üzerindeki etkilerini araştırmada dört problu taramalı tünelleme mikroskop sisteminin benzersiz avantajlarını gösteriyor. Ayrıca diğer iki boyutlu malzemelerin tane sınırlarının taşıma özelliklerini karakterize etmek için uygun bir yöntem sağlar.
Yukarıdaki sonuçlar yakın zamanda Nano Letters'da (DOI: 10.1021 / acs.nanolett.7b01624) çevrimiçi olarak yayınlandı. Bu çalışma, Kimya Enstitüsü'nden Akademisyen Liu Yunqi ve ABD'deki Vanderbilt Üniversitesi'nden Profesör Sokrates T. Pantelides'in araştırma grubu ile işbirliği içinde gerçekleştirildi. Bu çalışma, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı (2013CBA01600, 2016YFA0202300), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (61474141, 61674170, 61335006, 61390501, 51325204, 51210003) ve Çin Bilimler Akademisi tarafından finanse edildi.
İlgili makalelere bağlantılar :
Yayıncı: Cloudiiink
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
