帯隙可控的氮掺杂石墨烯的制备及电学性能研究

As a zero-bandgap semiconductor, graphene is not suitable for logic devices. It becomes a hot and tough topic to open and tune the bandgap of graphene. Here we intend to produce a tunable bandgap by controlling the nitrogen doping in graphene. Our proposal is as follows. Firstly, large-area nitrogen-doped graphene will be synthesized by chemical vapor deposition or solid source growth method. The effect of the growth parameters and the role of the post-annealing after gold interaction on the nitrogen doping structure and concentration will be systematically investigated, and optimal growth parameters of graphene with controllable nitrogen doping structure and concentration will be obtained. Then, the mechanism how the doped nitrogen atoms open and tune the band structure of graphene will be revealed after systematically investigating the interactions among the growth parameters, nitrogen structure and concentration, and electronic transport properties of nitrogen-doped graphene. Finally, nitrogen-doped graphene transistors with high on/off ratio and high mobility will be fabricated. This proposal is not only significant in understanding the doping effects and the mechanism of opening and tuning the bandgap of graphene, but also in potential applications in logic devices.

作为一种零带隙的半导体，石墨烯不适合用于逻辑器件。石墨烯带隙的打开与调控成为当前国际研究的热点与难点。针对这一难点，本项目拟通过氮原子对石墨烯的掺杂来实现对石墨烯带隙的打开与调制。首先，采用化学气相沉积法和固源生长法制备大面积的氮掺杂石墨烯，系统研究生长工艺和金原子插层退火工艺对氮原子掺杂结构和浓度的影响规律，实现氮掺杂石墨烯的可控制备；然后在此基础上，系统分析制备工艺、掺杂结构和浓度、石墨烯电子输运特性三者之间的相互影响规律，揭示氮原子替位掺杂对石墨烯能带结构的调控机制，实现大面积石墨烯带隙的打开和调控；最后，研制出高开关比、高迁移率的场效应晶体管。本项目的研究，不仅对深入理解石墨烯氮掺杂的物理效应及其带隙调控的物理机制具有基础科学意义，而且对探索石墨烯在逻辑器件的应用也具有积极意义。

首先研究了本征石墨烯薄膜的生长机制，在此基础上实现了晶圆级高质量单层和双层石墨烯的可控制备，特别是首次在twisted双层石墨烯上观测到了电学带隙的电场可调特性。对本征石墨烯薄膜生长机制的深入理解为下一步可控掺杂研究奠定了基础。.其次，按计划重点围绕氮掺杂石墨烯薄膜的可控制备及其电学性能开展研究，通过碳源、固源、气体流量、生长温度等参数研究，在一定程度上实现了氮掺杂浓度和掺杂结构的可控。在此基础上进一步研究发现在给电子能力方面pyridinic-N < pyrrolic-N < graphite-N，在引起载流子散射几率上pyridinic-N > pyrrolic-N > graphite-N，最终获得了氮掺杂浓度和graphitic-N/total N分别为5.6 at%和40%的氮掺杂石墨烯，其性能优于大部分报导的氮掺杂石墨烯薄膜，与单晶畴的氮掺杂石墨烯性能相当。.再次，为了进一步理解和评估氮掺杂对石墨烯能带的影响机制，将研究对象扩展到硅掺杂（2.6 at %）和硫掺杂（2.4 at%）石墨烯薄膜，横向比较了氮、硅和硫三种非金属元素对石墨烯薄膜影响规律的异同。研究发现硅掺杂和硫掺杂分别为p型和n型掺杂。和氮掺杂相比，硫掺杂具有更强的给电子能力和更低的载流子散射几率。.最后，制备了氮掺杂（4.2 at%）、硫掺杂（1.3 at%）、磷掺杂（1.2 at%）和硅掺杂（5.6 at%）石墨烯（还原氧化石墨烯）粉末，通过研究掺杂对石墨烯薄膜和石墨烯粉末影响规律的异同，深入理解非金属掺杂对石墨烯能带的影响机制。进一步的研究显示和石墨烯薄膜掺杂的结果相同的是，氮掺杂、硫掺杂、硫掺杂为n型掺杂，硅掺杂为p型掺杂；和石墨烯薄膜掺杂的结果不同在于非金属掺杂后，石墨烯薄膜的电导往往减小（归咎于掺杂缺陷引起的迁移率下降），而石墨烯粉末的电导则往往增高（这是由于虽然一方面掺杂缺陷会引起迁移率下降，但是另一方面非金属掺杂又将促进氧化还原石墨烯粉末的还原程度，进而提高迁移率）。