离子辐照调控碳化硅基外延石墨烯能带结构的研究

In this project, we will research the regulation of energy band structure of epitaxial graphene on silicon carbide labeled 6H-SiC (0001) substrate by ion irradiation method. We will discuss the mechanism of ion irradiation graphene; open a band gap by ion irradiation inducing defects on graphene; modulate the guided mode of ion-implanted SiC waveguide by graphene. Ion irradiation is one of the most important techniques for modifying surface properties because it offers accurate control. The application of ion irradiation provides a new way in the aspect of open the band gap of graphene. Graphene is a zero-gap semiconductor, and how a gap can be induced is crucial for its application in making devices. Our research have important prospect on electric device, solar cell and the field of ion-solid interactions.

本项目用离子辐照方法研究碳化硅（SiC）基外延石墨烯材料能带结构的可调控性，探讨离子辐照与石墨烯晶格的相互作用机制。通过离子辐照方法在外延石墨烯中引入缺陷调控电子带隙；在宽禁带半导体6H-SiC衬底上形成波导结构，并用辐照后的石墨烯调制其导模。离子辐照方法具有可控性等优点，已经成为用于材料改性方面的优选方案，选用离子辐照方式调控石墨烯的缺陷结构进而调控电子带隙是本项目的特色。电子带隙的可调性直接决定了半导体器件的性能及设计的灵活性，本项目的研究将为调控石墨烯带隙提供新方法。研究辐照后的石墨烯对波导导模的调制效果是一种新思路，可以拓宽石墨烯的应用领域。本项目的研究在电子学设计、太阳能电池及离子与固体相互作用领域均具有重要的应用前景。

石墨烯是单层碳原子薄膜，因为其优异的光学及电学性质吸引了大量研究者的兴趣，碳化硅（SiC）外延生长是得到高质量石墨烯的有效方法。在本项目中我们研究了SiC基外延石墨烯材料的离子辐照效应，探讨了离子辐照与石墨烯晶格的相互作用机制。用共焦微拉曼谱测试了SiC基外延石墨烯中的辐照损伤与离子种类、离子能量及离子剂量之间的对应关系。相同能量的离子辐照，较重离子在碳化硅基外延石墨烯中产生了较为严重的损伤；辐照缺陷随辐照剂量的增加而增加；在50~350keV的能量范围内，Kr离子辐照对能量的选择不敏感。AFM测试结果表明SiC基外延石墨烯表面的褶皱结构会随N离子辐照剂量的增加变的不明显。用相同辐照条件的Ar离子在铜基单层石墨烯上进行了对比性实验。为研究离子辐照对SiC基底的影响，测试了50~350keV的H、Kr离子辐照SiC基底的拉曼谱。通过X射线光电子能谱分析了H、Kr离子辐照后石墨烯化学键的变化。此外，我们对低能轻离子、中能中间质量离子及快重离子辐照钕掺杂钇镓石榴石晶体（Nd:YGG）、铌酸钙钡晶体（CBN）、磷酸钛氧钾晶体（KTP）等的波导特性进行了研究。本项目的研究可为SiC基外延石墨烯的改性研究提供实验依据，为其在电子学设计及离子与固体相互作用领域的应用提供参考价值。.本项目实施期间发表SCI收录学术论文8篇，申请发明专利1项，参加国际会议3人次，毕业博士研究生2人。