基于石墨烯的纳米光电子器件研究

The two-dimensional graphene is considered to be the most potential post-silicon material for the next generation photoelectronics, and scientists have developed many relevant devices including field effect transistors (FET) though are being faced with a lot of challenges. The aim of the present project is to design novel nano-photoelectronic devices based on graphene, and systematically deals with three substantial problems: How to determine the nanostructure that owns desired photoelectronic properties? How to prepare the nanostructure, and how to predict and modify their thermal stability？ Specifically, we would further develop the single atom statistical model proposed recently by the applicant for predicting the thermal stability and lifetime of nanodevices, which will be applied to optimize the new electrical rectification devices and a novel nano-laser based on nano carbon chains proposed by ourself recently, and to explore novel type of FET based on graphene, and so on.

近年发现的二维材料石墨烯被认为是最具潜力的下一代光电子元器件材料，科学家已经发展了包括场效应管在内的多种相关元件，但仍面临许多严峻的挑战。本项目以设计基于石墨烯的新型纳米光电子器件为目标，系统地解决相关的三个基础问题，即如何根据期望的光电特性确定对应的纳米结构，如何制备这种结构以及如何预测并提高其热稳定性。具体研究内容包括完善申请人最近建立的单原子统计模型用于预测纳米器件的热稳定性和寿命，进一步发展申请人最近提出的新型碳纳米电整流器件和原子碳链激光器，探讨新型的基于石墨烯衍生纳米结构的场效应管，等等。

基于石墨烯的纳米光电子器件有望取代目前普遍使用的硅材料器件，但仍面临一系列基础问题。本项目围绕这一主题开展了如下工作：A 进一步完善了我们前期建立的单原子统计模型，并将其成功的应用于预测石墨炔，单原子碳链的稳定性与电导等；B 研究了单层碳纳米锥作为超快整流器件的可行性，并研究了不同接触金属如Cu，Au，Ag，Li，Be，Pd, Pt对其整流特性的影响，表明与碳锥结合较弱的金属电极（Au，Ag, Cu）具有较好的整流效果；C 研究了单原子碳链作为超快光电转换器的特性，结果表明通过机械拉伸可使单原子碳链的吸收波长从可见（560 nm）连续调谐到紫外（345 nm）；D 研究了单原子碳链作为可调谐激光器工作物质的可行性，表明只需在碳链两端施加两三个电子伏特（eV）的电压就可获得粒子数反转而产生激光输出，其光电转换效率可达80%以上，远远高于目前的二极管激光器。E 为了对石墨烯电阻进行调节，我们用脉冲激光沉积方法将Cu, Ag 或Al原子沉积于吸附于硅衬底上的单层石墨烯，发现在每一个沉积脉冲之后，其电阻立即增大，然后经过大约几分钟的弛豫到达一个稳定值。结合理论计算表明，金属原子吸附于石墨烯后使其电导显著减小，因此形成了电阻尖峰，而此尖峰的衰减则对应于吸附原子在石墨烯表面形成团簇的过程。 在完善单原子统计模型过程中，首次建立了关于体材料蠕变速率的普适方程，对于预测高温服役的金属材料（如飞机发动机叶片）的服役寿命有重要意义。此外，我们建立了三种求解多粒子体系配分函数的新方法，其效率比目前声称最有效的EPM方法提高了三四个数量级，而其精度提高了约一个数量级。该工作为纳米器件以及宏观体材料设计奠定了良好基础。