石墨烯边缘结构的可控制备、特性及相关器件研究

石墨烯近年来受到广泛关注与研究。依据石墨烯边缘结构，理论上将其分为"齿型"、"椅型"，并预言各具有不同电磁性质。但实验上尚缺乏研究边缘特性的有效方法。前期用剥离天然石墨得到的石墨烯实验中，我们发现：热蒸镀的铁磁及顺磁金属原子趋于在边缘聚集（无论边缘形态直或弯曲），形成沿边缘的纳米线。且纳米线与石墨烯上金属膜之间存在着纳米空隙，抗磁金属则没有类似的现象。这表明可以通过金属原子在边缘的聚集情况研究石墨烯边缘的性质。为此，特提出本申请项目并开展下列研究：1.边缘结构的可控制备、表征：通过铁（钴、镍等）在合适条件下（温度、气氛等）对石墨的反应、刻蚀，制备并确认其具有"齿型"或"椅型"边缘结构的石墨烯。2.研究不同金属在石墨烯边缘聚集特点与其特定边缘结构的关系。3.研究外加不均匀磁场，外加电场及不同的石墨烯基底温度对金属在边缘聚集的影响。4.开展利用石墨烯边缘特性磁阻器件的构建、特性以及机理的研究。

石墨烯的边缘结构对其边缘态具有决定性影响。本课题提出了通过纳米金属颗粒对石墨烯的刻蚀作用研究得到不同的边缘结构的石墨烯，并对其进行边缘态的特性及相关器件开展研究。本项目围绕纳米金属颗粒在适当的温度、刻蚀气氛下（如氢气、水气）对石墨烯的刻蚀作用，刻蚀后边缘结构特征以及基于石墨烯边缘态的存储器开展了系统深入的研究工作。主要取得了如下几个方面的成果：.1. 铁、钴纳米颗粒对石墨的刻蚀研究.二茂铁、二茂钴可采用双温区方法得到纳米级金属颗粒，低温区控制颗粒大小，高温区发生刻蚀现象。刻蚀效果最好时，较多出现的是石墨烯等边三角形、等腰梯形、直角三角形及平行四边形。单层石墨烯也可以用此方法进行刻蚀，制备不同形状的多边形。.2. 水对刻蚀的石墨烯边缘结构的形貌影响.在同样的实验条件下，加入一定量的水气，刻蚀出现明显不同的特征：刻蚀路径中的阻碍物不影响刻蚀的方向，致使铁纳米颗粒刻蚀长度明显变长，表明刻蚀速度增大；刻蚀后，在刻蚀线路上没有发现铁纳米颗粒的残留；刻蚀后有很多平行的刻蚀路线，这些平行的刻蚀线间距可以在10到50纳米之间。因此，可以得到宽度在几十纳米的石墨烯纳米带。.3. 刻蚀后石墨烯边缘结构的拉曼表征.对于刻蚀后两条石墨烯刻蚀条之间的夹角呈现60度或120度，说明边缘的结构相同。同时拉曼谱没有发现明显的D峰，说明边缘结构呈现锯齿形的概率较大。对于边缘夹角为90度石墨烯，通过拉曼谱研究，证实一个边的拉曼出现了较强的D峰，证明这个边缘的结构是“armchair”，而另一个边缘是“zigzag”。.4. 外场对金属在刻蚀后的石墨烯上的形貌特征.实验研究了外场（栅压以及温度）在刻蚀石墨烯上的形貌特征，发现电压、温度以及石墨层数都会对金属形貌有影响，并对机理进行讨论。.5. 基于石墨烯边缘态的低能耗、非易失性存储器.基于石墨烯的边缘态，开发了一种石墨烯悬臂梁的新型存储器。其工作原理是：在墨烯悬梁结构中，石墨烯悬梁可以具有两个稳定状态：石墨烯臂梁与铁磁电极无接触，二者之间呈高阻状态，存储器处于“0”状态。当铁磁电极施加一个适当电压（“写”），石墨烯臂梁与电极接触，二者之间呈低阻状态，即存储器处于“1”状态。通过第三个电极的作用，可以实现“1”与 “0”的转换。. .通过本项目的研究，对石墨烯边缘结构的可控制备，特性以及器件的研究，为下一代高性能存储器的开发利用奠定了良好的基础