高温下石墨烯原理型器件中物理过程的研究

High temperature devices are demanded for military, astronautic, and heavy industry applications, where high power density is required or high temperature environment can’t be avoided. SiC is the mostly studied high temperature material, however, it is a bulk material, hard to make nano-devices, and the size limit of the gate length restrict the high frequency applications of SiC. Graphene can be easily made into nano-devices, and has very good high frequency response. This research proposal will use both Raman spectroscopy and electrical transport methods to quantitatively study the electron, lattice, and electron-phonon interaction properties of graphene devices and graphene-SiC devices under high temperature or high field conditions, and will demonstrate and prove graphene’s application values in high temperature devices. Furthermore, the project will focus on below important physics questions: the correlations and competitions of different electron-phonon coupling channels, and dependences on the temperature and defect levels; quantitative measurements of carrier density, mobility, drift velocity, IV curve, and their dependences on the temperature and device control parameters in graphene devices and graphene-SiC devices. All of above reveal the electron transport and electron-phonon coupling mechanism in two dimensional systems, provide fundamental research values, and pave the way for the developments of applications of graphene in high temperature devices.

高温器件在航空航天、军事和重工业领域有重大的需求和应用。主要的高温材料，碳化硅，是块材，微型化较困难；栅极尺寸也限制了碳化硅器件的高频性能。石墨烯可以微型化和微纳加工，并有着优异的高频性能。本项目使用拉曼光谱学和电输运学的共同方法，定量分析石墨烯器件和石墨烯-碳化硅复合器件在大温区范围下的电子、晶格、电子声子相互作用的物理属性及其随温度和器件参量的变化，展示和验证石墨烯在高温器件中的应用。拟解决的科学问题包括：晶格二次散射过程中，电子声子相互作用不同通道之间的关联与竞争关系，及这些关系所依托的物理量；石墨烯和石墨烯-碳化硅复合器件中，载流子浓度、迁移率、漂移速度、IV曲线等的定量测量及其随温度和器件参量的变化关系。本项目提供的信息对于理解二维系统（石墨烯）中电子输运机制和电子声子相互作用有着重要的物理意义；同时，本研究对于高温器件的发展和石墨烯的应用都有着非常重要的基础研究价值和铺垫作用。

本项目原计划研究石墨烯参与的高温器件及其中物理过程。高温器件在重工业、航空航天等领域都有着现实的需求和应用。现有普通Si基器件都不能在高温下工作，高温器件主要依靠基于宽禁带半导体（例如SiC）的材料。然而基于这些宽禁带半导体的器件的研究还处于较为早期和较为前沿的状态；通过复合石墨烯有可能提高SiC器件的性能。除了以上研究方向外，我们还开展了其他方向的、有价值的探索和拓展。.本项目经费支持下我们主要开展了4个方面的研究工作：石墨烯-碳化硅复合器件的高温研究工作、BaGa4Se7晶体声子结构的研究工作、石墨表面太赫兹产生的机理研究工作、石墨烯太赫兹等离激元共振器件的研究工作。.在石墨烯-碳化硅复合器件的高温研究工作上，研究工作顺利，测试基本结束，成果正在整理中。.在BaGa4Se7晶体声子结构的研究工作上，完成了BaGa4Se7晶体声子结构的实验和理论解析；该研究结果对于理解和分析BaGa4Se7晶体在红外和太赫兹波段的行为提供了重要支持，相关工作已经撰稿，稿件已经被Communications Physics杂志接收。.在石墨表面太赫兹产生的机理研究工作上，我们通过栅极电压来实现石墨表面产生太赫兹脉冲的调制，我们的结果清楚地表明了石墨产生THz波的物理机制：表面电场驱动下的光生载流子产生瞬态电流辐射太赫兹波。我们的理论计算也支持了以上解释，并定量说明了太赫兹波在正负栅极电压下饱和振幅的不同，是由于电子和空穴有效质量的差异。尽管与半导体在表面电场作用下产生太赫兹的机理有相似性，但是石墨的情况又表现出非常不同的特点，例如更快速的强度饱和与对于温度的不敏感。相关工作已经发表在Scientific Reports杂志中。.在石墨烯太赫兹等离激元共振器件的研究工作上，我们制备和测试了基于纯石墨烯的太赫兹等离激元共振器件，我们观测到了最低频（最接近电学频率）、最大的调制深度和最长的时间常数。相关工作已阶段性完成并发表了文章，该工作发表在Advanced Optical Materials杂志中。