边缘平整石墨烯纳米带阵列制备及电子和自旋输运性质研究

Graphene nanoribbons (GNRs) are of size-confined and edge-controlled energy structures. The unique properies of GNRs in bandgap, edge states and edge magnetism enable them important potentials in electronic,spintronic,optoelectronic and sensor devices. However, the new frontier field still exists some issues to be solved in controllable preparation of edges and width. Additionally, the intrinsic electron and spin transport properties are masked by the edge disorder scatterings.The project proposes the preparation of two kinds of large-area and edge-smooth GNRs array by a mild reaction etching based on the previous works of large-area graphene and aligned GNRs, and investigates the intrinsic transport properties after the suppression of edge disorder scattering. We will explore and optimize the controlled conditions in GNRs preparation of edge-smooth, high-yield, and width-variable GNRs, and the micro and nano fabrication parameters of single GNR, GNR array and wafer-scale array devices by combining normal or ferromagnetic metal depostion, dielectric integration and top gate technique and so on. We will study the intrinsic properties of edge structures,electron energy states, electron-electron interations, edge magenisim,electron and spin transport,and their interactive influence through the characterization of the structures, the fabrication of the devices, the measurement of the electron transport and theoretical calculations. The implementation of the project will be of great significance to the controllable preparation, transport property exploration, and applications of high-quality GNRs.

石墨烯纳米带(GNRs)具有尺寸限制和边缘可控的能带结构。独特带隙、边缘态及边缘磁性等性能使其在电子、自旋、光电、传感器件中有应用潜力。然而，边缘齐整、宽度可调、高产率制备仍面临挑战，其本征电子、自旋输运性能由于边缘无序散射掩盖还有待揭示。本项目在前期GNRs、及高均匀大面积石墨烯薄膜制备基础上，提出用柔和化学方法制备两类大面积边缘平整GNRs阵列，和探索抑制边缘散射后的本征电输运性能,摸索优化边缘平整、高产率、宽度可变GNRs阵列的制备控制条件，结合正常或磁性金属沉积、介电集成、顶栅加工等工艺参数，制作单根、GNRs阵列器件、晶圆尺寸大面积阵列器件。通过结构表征、电子、自旋输运并结合理论分析等手段，研究高质量GNRs的边缘结构、电子态、电子-电子相互作用、边缘磁性、电子自旋输运，以及它们之间的相互关联等本征性能。本项目实施对高质量GNRs可控制备、输运性能及器件应用具有重要意义。

石墨烯是由单层碳原子构成的具有六边形蜂窝状结构的二维晶体，具有超高的载流子迁移率、独特的线性色散关系、良好的机械柔韧性以及宽光谱吸收能力等一系列优异性能。因此快速的制备石墨烯以及制备特定边缘结构的石墨烯纳米条带成为一个挑战。此外，在光电探测领域，石墨烯基探测器虽表现出许多优异的特性，也使得石墨烯成为光电领域的研究热点。. 首先，我们研究了铜箔衬底材料的晶向调控机制，利用不同的铜箔热处理方案，得到了一种稳定调控铜箔晶向的技术。之后将这种稳定的单晶铜衬底运用于石墨烯的制备，进一步优化衬底晶向与石墨烯晶向的匹配程度，可以提高石墨烯质量，同时建立一种新型的封闭体系环境，并研究了大批量铜箔叠层衬底上石墨烯生长的均匀性问题。通过优化衬底材料晶向和静态系统条件，研究快速大批量制备高质量石墨烯的创新技术，实现高质量石墨烯快速批量制备。. 然后，利用上述制备的石墨烯研究了一种制备边缘平滑的石墨烯纳米带的有效方法，并研究了石墨烯纳米带边缘结构调控及其输运性能。先用溅射金属锌和盐酸反应处理图形化的石墨烯，再利用氢气等离子体刻蚀来调控石墨烯纳米带的边缘结构，由于氢气等离子体具有各向异性刻蚀石墨烯的特点，从而能够实现制备边缘齐整的石墨烯纳米带。测试结果表明制备出的石墨烯纳米带是以锯齿型为主导的边缘结构。. 最后，探索了制备的石墨烯应用，主要进行了两个方面的探索研究：一是石墨烯-锑化铟异质结光电探测器研究，窄带隙半导体锑化铟（InSb）与石墨烯结合形成石墨烯-锑化铟异质结构光探测器，可探测波长从可见光到中波红外（473nm-10μm）。此外，为了有效降低器件的暗电流，进一步在石墨烯与锑化铟之间沉积了一层超薄氧化层，可使暗电流降低1-2个数量级；二是石墨烯-二硒化铂异质结的构建与光电探测性能研究，通过垂直堆垛的方法把生长的石墨烯迁移到二硒化铂薄膜上，制作的石墨烯和二硒化铂组成的范德瓦尔斯异质结光电探测器大大拓宽了此类器件光电探测的波段范围（从可见光到远红外波段），而且这种器件在远红外波段的探测不需要制冷设备，有望实现红外探测的低成本、低功耗、轻质量和大面阵。