原子层淀积栅介质/石墨烯纳米叠层的界面和电子结构

随着石墨烯的发现，对于下一代更高性能、更大规模的集成电路提供了最可能路径。然而，石墨烯场效应管中载流子迁移率的急剧退化是石墨烯器件应用前必须解决的问题。在本项目中，将以获得高质量的栅介质/石墨烯界面体系和相关的物理和结构模型，高迁移率的石墨烯原型器件以及器件模型为目标。具体包括，通过抑制石墨烯器件衬底绝缘材料的远程声子散射，钝化衬底绝缘材料的表面活性基团，实现低损的石墨烯表面预淀积功能化处理，制备高质量原子层淀积的栅介质等方法，研究获得上述方法对石墨烯材料的二维晶体结构和电子结构的作用机制以及相关界面结构和物理特征。在理论建模，微结构测试和器件测试三方面的综合考虑下，分析获得高迁移率石墨烯原型器件的界面结构和其他相关物理和电学特征，整合各项分立的工艺步骤和物理模型，最终实现迁移率超过8000 cm2/Vs的原型器件以及相关的工艺对器件性能的作用机制。

本项目开展了基于石墨烯等二维晶体的生长、栅氧化层界面特性、石墨烯输运特性以及基于石墨烯的电子器件性能的研究。.首先，利用CVD方法成功的在氧化锌表面生长出双层石墨烯，其中氧化锌是用原子层淀积方法淀积在单晶金属钌表面。通过拉曼光谱，原子力显微镜和扫描电子显微镜手段去石墨烯进行了表征。特别是对拉曼光谱的详细分析，对石墨烯的层数、缺陷与工艺参数的关系进行了详细的讨论。.其次，研究了石墨烯的输运特性。从能级的本征态入手，我们发现N为偶数情况下，能带呈现手性特征（对称或反对称），而N为奇数时，能带无手性特征。基于石墨烯内的电子在手性能态间必须遵循手性一致的原则，我们成功解释了双层石墨烯纳米带电流输运在不同宽度下所表现出的异常现象，相关论文发表在Applied Physics Letters上。另外，我们的研究还发现在多层石墨烯间填充氮化硼可以抑制石墨烯中电子的层间散射，从而增强多层石墨烯体系在平面方向上的电导率。由于氮化硼的插入削弱了石墨烯层间的相互作用，从而使各层石墨烯在堆叠中仍保持单层的特性，基于这样的结构能有效增加多层石墨烯中的堆叠数量，从而满足未来互连中超高电流密度的传输要求，相关论文发表在AIP Advances上。.最后，研究了石墨烯等二维晶体组成的电子器件的电学特性。我们通过用Cl原子和P原子替换MoS2表面的S原子实现了单层MoS2中的N型和P型掺杂，考察了基于这种替位掺杂方式下单层MoS2 PN结的输运特性。计算结果显示该PN结表现出反向二极管的特性。此外，我们还通过电流-温度的依赖关系验证了正反向偏压下不同的电流输运机制，相关论文发表在Applied Physics Letters上。另外，通过室温下旋涂的方式制备了Al/GO/ITO/PET柔性阻变存储器，成功制备的GO RRAM具有很好的阻变性能，高低阻值之比约为280，数据保持时间>10000秒，能够耐受100次以上擦写。另外，在不同时间宽度的脉冲电压擦写过程中发现与传统阻变存储器相反的实验现象，即从高阻值转变到低阻值的SET过程要比低阻值转变到高阻值的RESET过程慢3个数量级。而这种速度的差异可以通过不同载流子注入环境下，氧原子在石墨烯平面的扩散的速率差异来解释，相关论文发表在Applied Physics Letters上。