基于石墨烯材料的电/机械纳米开关器件的制备与性能研究

石墨烯是近几年来物理学和材料学领域的重点研究对象之一。目前基本的物理问题已经研究的比较透彻，但是石墨烯器件方面的研究才刚刚开始。作为一种严格的二维晶体材料，石墨烯具有目前已知材料中最薄的薄膜厚度、最强的机械强度和非常高的电导率和热导率。这些特点是决定了石墨烯是一种天然纳机电系统器件材料。本项目中，我们将利用机械剥离的办法从高定向石墨（HOPG）上把石墨烯分离出来并平铺到基底上。通过光学曝光和电子束曝光等微加工手段，等离子体刻蚀技术，结合高k氧化物薄膜沉积、金属薄膜沉积、和lift-off等技术形成图案，实现器件的定位与电极图案的形成，从而加工具有可控开关功能的石墨烯NEMS器件。通过表面形貌测量、电学测量、光谱测量、及原位监测等技术实现对器件的表征与性能的研究。通过实验和理论计算的紧密结合，深入探索相关物理过程,揭示内在机制和基本原理。

本报告总结面上项目"基于石墨烯材料的电/机械纳米开关器件的制备与性能研究" (基金号10974226)。 经过3年的努力我们基本完成了项目预定的研究内容，并在石墨烯纳机电开关器件研究相关的几个方向上取得若干结果，包括：.第一, 我们利用机械剥离石墨烯的办法可以重复可靠得到在300纳米氧化硅基底上的石墨烯样品。结合微加工技术，利用预刻蚀法和后刻蚀法制备了悬浮石墨烯样品。.第二, 我们发展了一套基于等离子体气相各向异性刻蚀技术的石墨烯纳米结构的加工方法。成功制备出各种大面积、周期性、图案化的具有Zigzag边缘构型的石墨烯纳米结构。这些纳米结构的质量好，迁移率高，线宽在10纳米以下。研究了石墨烯纳米带样品的本征物性，实验上看到了边缘影响的半金属性和电声子耦合效应。.第三, 首次成功加工出一种基于悬浮多层石墨烯的可重复操作的电机械开关器件。这种电机械开关以悬浮石墨烯为活动部件，通过对其施加静电力来调控悬浮石墨烯的位置，进而改变开关状态。该器件的开关比高达104，并成功工作了超过500个周期。该原型器件的成功制备证实了石墨烯在电机械开关应用中的可行性。另外，我们得到了两个反应石墨烯的力学性质的物理量：单层石墨烯与氧化硅之间的范德华力0.17 N/nm2，石墨烯的杨氏模量为0.96 TPa。这两个物理量的确定对于石墨烯在纳机电系统中的应用有重要意义。.项目执行期内共发表文章14篇，申请专利两项，其中一项已授权。项目培养了3名博士生，都已经顺利毕业，并获得中科院院长奖学金优秀奖（1人/次）、中科院宝洁奖学金（1人/次）、物理所所长奖学金（>3人/次）。项目负责人获得2012年中组部首批青年拔尖人才项目一项、获得2012年中国真空学会青年科技创新奖一项；获得国内、国际会议邀请报告〉5次。