基于力反馈的石墨烯纳米加工方法研究

Graphene has the best conductive property in the world, and the graphene-based device can operate at speeds to reach THz. It is likely to be an excellent substitute for silicon. However, the intrinsic graphene has no band gap, so how to introduce a band gap in graphene becomes a great attention. This project investigates a novel determination method of graphene lattice orientations, and hybrid control theory based on infinite-dimensional force-displacement to develop graphene cutting technique based on interaction force as real-time feedback by using a combination of modern control theory and nanorobot technology. On this basis, the first experimental platform of nanorobot/graphene controlled fabrication to achieve ultra-precision processing of graphene based on system integration technology. This study will provide a new theoretical method and implementation techniques for graphene-based nanodevices, and promote the significance of the development of nanodevices.

石墨烯材料是目前导电性能最出色的材料，石墨烯器件的运行速度可达到太赫兹，极有可能成为硅的绝佳替代品。然而由于本征石墨烯没有能隙，为将其应用于半导体制造工业中，如何在石墨烯中增加能隙实现对其导电性的改性成为人们关注的热点。本项目综合采用现代控制理论和纳米操作机器人技术，通过研究新的石墨烯晶向快速检测方法、以及基于无穷维的力-位置混合控制理论，实现基于力反馈控制的石墨烯可控加工。并在此基础上，开展系统集成技术研究，构建首套纳米机器人/石墨烯可控加工实验系统，实现石墨烯的超高精度加工。该研究将为基于石墨烯的纳米电子器件制造提供新的理论方法及实现技术，对新型纳米电子器件的发展具有重要推动意义。

本课题研究一种石墨烯的可控纳米制造方法，包括晶向快速检测技术、基于纳米操作机器人的可控加工方法以及可控的规模化装配技术，为石墨烯纳米器件与纳米结构的加工制造发展提供了具有实际意义的理论方法和研究途径。.(1) 基于频率的石墨烯晶向检测技术研究.石墨烯的晶向检测是实现特定边缘结构石墨烯基纳米器件的剪裁的关键问题。然而现存的原子分辨率成像技术，都只能用于离线结构观测，后续的切割加工过程将面临着加工位置再定位和对准的难题。针对这一难题，提出了基于摩擦力频域特征的石墨烯晶向检测方法。该方法仅利用一条或两条摩擦力扫描线即可在石墨烯加工前快速、准确地将石墨烯的晶向检测出来，并且该方法为在线监测，有效克服了加工位置对准难题。.(2) 基于纳米操作机器人的石墨烯加工方法研究.目前的石墨烯加工技术都为开环加工方式，由于剪裁过程中无信息反馈从而难以保证加工方向与期望晶向保持一致。原子力显微镜的探针除了作为终端执行器完成石墨烯的切割外，同时还能够作为力的检测装置实现纳米切割力的实时感知。因此，利用AFM系统研究了石墨烯晶向与切割力的关系，为构建基于实时力反馈的石墨烯可控加工方法奠定基础。.(3) 石墨烯的可控装配技术与器件加工研究.纳米装配技术是纳米器件制造的关键性前提，需要将构造的纳米结构排布或跨接在电极之间，实现对纳米材料的精确操控。针对传统介电泳技术难于实现石墨烯的可控和精确操控问题，通过结合微流控技术，探索研究了基于光诱导介电泳的石墨烯装配方法，实现了石墨烯的可控批量化装配；并在此基础上利用AFM机械加工方法制造了石墨烯FET(Field Effect Transistor)，并对其场效应特性进行了测试。