悬浮石墨烯体系的物性调控及电子输运研究

Suspended graphene is the closest to its intrinsic status after removing substract effects. It has attracted much interest because studying suspended graphene is very important on understanding its intrinsic mechanical, electronic, optical and thermal properties. Suspended graphene also offers an ideal platform to engineer functional graphene structures, study their correlations with electronic properties, and eventually realize the manipulations of various functions. Recently, we reported the first direct observation and controlled creation of 1D periodic structures on suspended graphene. In this project, we propose to take advantage of our high quality suspended graphene samples, and systematically study engineered suspended graphene systems and correlated electron transport properties. We will engineer control various periodic structures on suspended graphene, and fabricate related electronic devices. We will reveal the effects of various periodic structures (such as dimension, period and amplitude) on their electron transport properties. We will further fabricate graphene superlattice based on doped (such as gas and metal atoms) periodic graphene structures, and study the doping mechanisms as well. Finally, we will reveal the effects of various graphene superlattice structures on their electron transport and other physical properties. Our project shows the potential of making a series of breakthroughs on studying electron transport properties of graphene.

悬浮石墨烯是去除了衬底效应最接近本征的状态，对于深入理解石墨烯在机械、电学、光学及热力学等方面本征的物理特性有着非常重要的意义，也很快成为目前国内外石墨烯研究的一个热点方向。悬浮石墨烯还提供了一个可人工设计功能化结构，研究相应结构和电学性质相互关系，并最终实现性能调控的理想实验平台。最近，申请人和合作者首次实现悬浮石墨烯中一维周期结构的制备和调控。本项目拟利用申请人在悬浮石墨烯器件的加工、制备及测量方面的优势，在前期工作的基础上，系统研究悬浮石墨烯体系的物性调控及相关低温电子输运性质。深入研究悬浮石墨烯周期结构的加工和调控，以及相应电子器件的制备工艺；揭示悬浮石墨烯不同周期结构对其低温电子输运性质的影响；同时进一步制备基于悬浮石墨烯周期性结构的原子掺杂石墨烯超晶格结构，探索相应机制；并揭示不同超晶格结构对其电子输运等物理性质的影响。本项目有望在石墨烯量子输运等方面实现一系列源头创新和突破。

悬浮石墨烯是去除了衬底效应的石墨烯最接近本征的状态，对于深入理解石墨烯在机械、 电学、光学及热力学等方面本征的物理特性有着非常重要的意义。悬浮石墨烯还提供了一个可人工设计功能化结构，研究相应结构和电学性质相互关系，并最终实现性能调控的理想实验平台。前期，申请人和合作者首次实现悬浮石墨烯中一维周期结构的制备和调控。本项目中申请人利用微加工手段制作了悬浮石墨烯器件，第一次用深紫拉曼研究了石墨烯的双共振峰，发现三个散射过程对2D峰的贡献，这为深入理解薄层石墨烯中的双共振机制提供了直接的实验证据；对悬浮石墨烯实现了周期结构的金属原子掺杂，并发现金属原子的位置分布和悬浮石墨烯曲率半径有直接关系，这一结果可能有助于帮助我们理解石墨烯表面金属原子吸附的机理，并且这种周期性掺杂的石墨烯为我们继续研究其输运性质提供了平台；利用纳米压印的方式，得到的具有周期性起伏衬底为我们研究周期性应力下石墨烯电学输运奠定了基础，可用于揭示不同超晶格结构对其电子输运等物理性质的影响；制备了不同层数的悬浮石墨烯器件，并利用压电原子力显微镜研究了其机电耦合效应，不同于单层石墨烯，我们首次发现了多层石墨烯中正的压电导效应，并且发现这种正的压电导效应在三层石墨烯中有最明显的表现。进一步的理论研究结果表明这个新奇的现象来源于石墨烯层间耦合作用和层内电子跃迁的相互竞争，该项工作丰富了对于石墨烯等二维材料机电性质的理解，并且为构建基于石墨烯的纳米机电系统和利用石墨烯制造柔性电子器件提供了可能性。本项目在石墨烯量子输运等方面实现一系列源头 创新和突破。