纳米尺度石墨烯电子器件热逸散效应的机理研究

The mechanism of hot spot formation in nanoscale graphene sample under current flow remains unclear. This project will focus on the energy dissipation in graphene nanodevice and analysis the possibility to tune it by contact engineering. By combining in situ spontaneous measurement of tip enhanced Raman and optical emission spectra of functioning graphene device, we can obtain independent information of phonon and hot electron and then analysis the electron phonon coupling in this sample. Scanning thermal microscopy would be adopt to directly measure the temperature distributions in electrically biased graphene channels, which allows us identify intrinsic energy dissipation steps. It also provides information about the carrier distribution and fields in working graphene nanodevice. Metal contacts affect the energy dissipation significantly in nanoscale device. This project will try to optimize the contact, using molecular dynamics simulation and thermal image measurement. The results here will be helpful for the design of new low-power consumption devices.

目前，电流作用下纳米尺度石墨烯样品温度上升的机理和微观过程并不清楚。本项目拟研究石墨烯纳米电子器件的热逸散效应，并研究利用电极工程来调节热逸散效应的可能性。首先，将原位针尖增强拉曼和热辐射光谱测试结合起来，分别用来分析偏压下的石墨烯样品的声子和热电子行为，进而确定纳米尺度下石墨烯样品的电声相互作用。然后，利用扫描热探针显微镜直接探测石墨烯纳米器件工作状态下的温度空间分布。其可以直观的反映器件内部的发热、传热和散热的微观过程，并可以用来分析载流子分布、能量耗散等物理过程。在纳米尺度下，电极是影响热逸散的重要因素，结合分子动力学模拟和扫描热探针技术，优化电极设计，实现对石墨烯器件热逸散过程的调控。本项目的研究成果将为新型低功耗石墨烯纳米器件的设计提供坚实的基础。

石墨烯等二维材料被国际器件与系统路线图（IRDS）列为下一代芯片的核心功能性材料。然而，电流作用下石墨烯等二维材料电子器件样品温度上升的机理和微观过程并不清楚。针对该问题，本项目开展了以下四个方面的研究工作：（1）采用机械剥离法和化学气相沉积（CVD）法制备了高质量石墨烯、MoS2、WTe2、Bi2O2Se、GaTe、HfSe2等二维材料，并开展了系统表征，为项目研究提供了材料基础。搭建了二维材料显微转移系统，基于此，构建了转角双层石墨烯、转角双层MoS2、转角石墨烯/MoS2异质结等样品，系统研究了转角对石墨烯等二维材料光谱特性的影响机制。（2）结合无掩膜紫外曝光系统、电子束曝光、反应离子刻蚀和电子束蒸镀等设备，制备了基于石墨烯、WTe2、Bi2O2Se、GaTe等二维材料的晶体管器件，并测试了晶体管器件的电学输运特性。（3）深入研究了石墨烯、WTe2等二维材料晶体管中的电子和声子相互作用机理、电子器件热逸散效应及电极调控特性等。（4）基于光热电效应等，制备了基于Bi2O2Se、GaTe等的高性能光电探测器件。除此之外，项目组还深入研究了插层对石墨烯颜色、红外辐射、非线性光学等特性的调控作用。制备了锂石墨烯插层材料、硫酸石墨烯插层材料、氯化铁石墨烯插层材料和离子液石墨烯插层材料等，深入研究石墨烯及其插层材料的光学特性，剖析了插层调控石墨烯光学特性的物理机制，制备了基于插层技术的石墨烯变色、红外辐射调控、可调非线性光学器件等光电子器件。在项目研究过程中，项目组发表与项目相关的SCI论文13篇，参加国际和国内学术会议6次。