解耦合石墨烯层间屏蔽和本征缺陷对迁移率影响的研究

The high mobility of graphene is the key for graphene transistor applications in the logic circuits and high frequency devices. However, the mobility of atom-layer-thick graphene is susceptible to a variety of non-intrinsic factors, such as exposed air, the substrate and the dielectric integration and so on. At present, the dominant factor of the scattering that inhibit the mobility of graphene is still unclear. We propose to construct the sandwich structure of surface-graphene-layer/middle-graphene/bottom-graphene-layer by taking advantage of a large area continuous and interlayer-decoupling graphene layers prepared by in situ segregation during CVD. And we will study the interlayer-screening effect on charge impurity scattering, as well as the impact of the screening on carrier concentration, mobility and electro-acoustic interaction of the middle graphene layers. At the same time, we propose the growth of graphene films of density-controlled atomic scale defects by adjusting the CuNi alloy composition, and study the resonance scattering caused by intrinsic defects on the inhibition degree of mobility. The project is of great an important scientific significance for revealing the intrinsic transport properties and the dominant effect mechanism of mobility of graphene, and the applications of the graphene electronic devices.

高迁移率石墨烯是石墨烯晶体管有望应用在逻辑电路和高频器件中的关键。然而，原子层厚的石墨烯迁移率容易受到空气暴露、衬底和介电集成等多种非本征因素影响，目前，抑制石墨烯迁移率的散射的主导因素仍不清楚。申请人以化学气相沉积(CVD)原位偏析制备的大面积连续、层间解耦合的石墨烯层为研究对象，提出构造表面石墨烯层/中间石墨烯/底部石墨烯层的三明治结构，研究该结构对电离杂质散射的层间屏蔽效应，以及屏蔽对电极接触的中间石墨烯层载流子浓度、迁移率和电声相互作用的影响。同时，申请人提出调节CuNi合金催化剂成分，在生长的石墨烯薄膜内产生密度可控的原子尺度缺陷，研究由本征缺陷引起的共振散射对其迁移率抑制作用的程度。本项目的实施，为揭示石墨烯的本征输运性质和影响石墨烯迁移率的主导机制、石墨烯电子器件的应用提供了重要科学意义。

高迁移率石墨烯是石墨烯晶体管有望应用在逻辑电路和高频器件中的关键。然而，石墨烯器件的性能容易受到掺杂、衬底、介电和电极接触等多种因素的影响。因此，探明影响石墨烯性能的散射因素、电子-电子相互作用和电子-声子相互作用，是制作高性能石墨烯器件的关键挑战。基于此，我们首先CVD制备了层间解耦合石墨烯薄膜，然后采用3-4层解耦合石墨烯薄膜制作了表面石墨烯层/中间石墨烯/底部石墨烯层结构的器件，并在该器件中获得了3000 cm2/Vs的高迁移率。这说明了层间解耦合实现了对杂质散射的有效屏蔽。为了研究石墨烯中的边缘散射、电离杂质散射、电子-电子相互作用和电声相互作用的行为，我们提出了一个新的方法，制备出一维(1D)超窄的边缘平滑石墨烯纳米带，并制作了石墨烯纳米带场效应晶体管器件。通过对该器件的电输运研究，我们发现了1D石墨烯纳米带的电子-电子间相互作用，即首次发现石墨烯纳米带的Luttinger 液体行为。我们解决了器件的介电集成问题，并制作了有介电层保护的新型Hall器件，以及制作了Ni/graphene/Co垂直自旋输运器件。在Ni/graphene/Co 垂直器件中发现自旋阀效应，并发现电子-电子相互作用能够在150 K的较高温度中幸存。这些结果为研究电子-电子相互作用提供了新的途径。此外，我们从多体效应的角度理论研究了在光泵浦石墨烯中载流子浓度对杂化能级的影响，并得到在光泵浦石墨烯中多体效应可以产生能隙的结论。这些理论结果有助于理解在光泵浦石墨烯中能隙产生的物理机制，可以为更加精细的实验结果提供理论参考。通过该项目取得的结果，为高性能石墨烯电子器件的实用提供了理论指导和实验基础。我们共发表了4篇文章和申请2项专利，以及培养了4名研究生。