铁电介电基底上石墨烯的制备及其界面效应对电性能调控的研究

基底对于石墨烯材料（Graphene）的结构和功能都有至关重要的影响，目前国际上对于基底作用的研究集中于SiO2/Si，SiC等半导体材料和Pt、Ni、Ru等金属材料，而对于极富功能性的铁电介电材料还尚未深入研究。本项目以前期在石墨烯和铁电介电纳米材料的研究工作为基础，拟研究结合于典型BTO/STO钙钛矿结构铁电介电基底上的石墨烯单层或少数层结构，以利用基底高介电常数、自发极化等特性获得增强和功能化的新型石墨烯材料。项目主要通过扫描探针显微镜、变温微区拉曼、电性测试等技术，结合其他常规纳米表征手段和大规模理论模拟，研究这一体系中对电输运性能影响巨大且密切关联的电子-表面声子作用、界面应力作用及界面诱导的能带结构改变，以丰富基底上石墨烯结构-物性关系及内在物理机制的认识，为面向实用的石墨烯结构和电性调控提供选择，并为多功能高集成新型功能器件的设计和实现提供新的材料和实验基础。

石墨烯具有高载流子迁移率、高热导率、高强度等一系列独特的物性和丰富的功能性，并具有与现有平面微加工工艺兼容的良好技术优势，在新型功能器件发展上有巨大的潜力。作为一种单原子层的二维材料，石墨烯在构成器件时总是附着于某种基底之上，而基底又会对石墨烯的性质有巨大的调节作用。本项目基于这一重要问题，开展介电和铁电基底上单层或少数层石墨烯的性能研究，并探索相关新材料、新器件的机理和制备技术。项目执行期间，主要取得的研究进展和成果有：1) 对于化学气相沉积方法制备的大面积高质量石墨烯，研究了其生长成核机制及将石墨烯转移到氮化硼、氧化铝、钛酸锶等不同介电基底上的技术途径，研究了石墨烯与不同类型表面的结合性及电输运特性。2) 针对石墨烯最佳的介电基底六方氮化硼，发展了大面积六方氮化硼二维薄膜的气相化学沉积制备和表面扫描表征方法；并设计制备了具有超低介电常数的超轻、超弹、超热稳定等优异性能的三维泡沫结构，为石墨烯功能器件的设计提供了新的基础。3) 发现PET等介电基底上的石墨烯与气流、液流作用下有流致生电效应，可以作为流速传感和能量获取的新途径。项目已发表包括Nano Lett., Nanotechnoloy在内的SCI源刊物论文4篇，另有2篇论文在审稿中，申请中国发明专利5项。这些成果丰富了不同介电基底与石墨烯性能相互作用的认识，获得了一系列石墨烯向不同介电和铁电基底转移及构造器件的技术方法，并在此基础上提出了几种新的材料和功能器件结构，为新型石墨烯基功能器件的设计和实现提供了材料和技术基础。