新型材料——单原子石墨膜

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1、新型材料——单原子石墨膜新型材料单原子石墨膜引言　　2010年10月，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖项，授予在英国曼彻斯特大学任教的两位俄.L.罗斯裔科学家：安德列•吉姆（AndreGEim荷兰籍，时年51岁)和康斯坦丁•诺沃塞洛夫（KonstatinNovoselov英国籍，时年36岁)，以奖励他们在新颖材料graphene方面杰出的先驱性实验物理研究。这种新型材料，实际上是透明的，比金刚石还硬，是世界上最薄和最硬的电子材料，具有超强的导电性能和导热性能，可承受电流密度比铜高六个数量级，有可能用于制备透明触摸屏、平板阅读器、太阳能电池、复合材料、贮氢材料以及

2、运算速度极快的超级计算机等。尽管这种材料出现的时间很短，却显现出极其丰富的物理现象和潜在的应用前景。　　然而，在有关这种新型材料的报道中，一些　此外，石墨膜的特殊电子态结构，也极大地影响其中的量子输运现象。众所周知，当电子被限制在二维半导体材料中时，能够观察到量子力学增强输运现象，例如量子霍尔效应（quantumhalleffect，QHE）：即在垂直于霍尔样品平面的磁场作用下，霍尔电导率（σxy）与载流子浓度（n）之间出现一系列等间距的导电率平台。与这些平台相对应，霍尔样品纵向的电阻率（ρxx），降低到近似为零的极小值。这个现象被称之为量子霍尔效应［4］。然而，对于通常

3、的二维半导体系统，这些电导率平台与纵向电阻率极小值，是出现在传导量子（e2/h）（其中e为电子电荷，h为普朗克常数）为整数值（或分数值）的位置。对于石墨膜而言，这些平台和电阻率极小值是出现在传导量子为半整数值的位置上［3］（图3）。不仅如此，对于通常的二维半导体材料，只能在极低的温度下（例如液氦温度），才能观察到量子霍尔效应。但对于石墨膜，甚至在室温下，还能观察到这个现象［5］。这是因为在石墨膜中，载流子的行为如同一个无质量的相对论粒子（狄拉克-费米子），而且，即使在室温下，它们与声子的散射速率也是极低的缘故。　　在石墨膜中，实验测量出的电子与空穴迁移率，在室温下均能超过1.5104cm2/

4、Vs(4K下约为6104cm2/Vs)。如此高的迁移率表明，载流子的运动主要是受杂质或缺陷的影响。因此，改善石墨膜晶格质量，预期迁移率或许可以达到1.0105cm2/Vs。虽然在所有半导体材料中，锑化铟(InSb)半导体材料具有最高的室温迁移率（7.7104cm2/Vs），但该值是从未掺杂的高纯材料获得。一般来讲，其载流子浓度是非常低的。然而，在石墨膜中，即使在较高的载流子浓度下（n>1012/cm2），其迁移率（μ）仍然很高。换算成粒子的平均自由程长度在亚微米范围（约0.4μm）。也就是说，一个荷电载流子，大约要运行通过2800个原子间距之后才能被散射一次。这说明，在亚微

5、米范围内，载流子实际上是弹道运行的。这种特性在高速高频碳基电子器件的实际应用中具有十分重要的意义。　　二单原子石墨膜的应用　　石墨膜中载流子显示出极高的迁移率，其值不仅较硅（Si）大约100倍，比目前认为最高速材料晶格匹配的磷化铟（InP）也高出大约10倍。因此特别适合于制备射频场效应晶体管（RF-FET）。研究者在一个2英寸的半绝缘高纯碳化硅（6H-SiC(0001)）衬底的硅面上［6］，采用高温（1450℃）热退火方法，生长出石墨膜（单层或双层）材料。以氧化铪（ＨｆＯ２）作为栅介质，制备成场效应器件，在２英寸的片子上，霍尔迁移率在９００～１５２０cm2／Ｖｓ范围。载流子浓度约为3101

6、2/cm2,场效应晶体管的截止频率（fT）在射频（RF）范围。对于栅长240nm,fT高达100GHz。而同样栅长（240nm）的硅基金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其fT约为40GHz，仅为石墨膜器件的2/5。在超高频模拟晶体管器件方面，目前主要以砷化镓（GaAs）基器件为主，称之为高电子迁移率晶体管（HEMT）,应用在通讯技术领域。尽管采用石墨膜制备的高电子迁移率晶体管，其工作频率还不如砷化镓基器件，但从石墨膜所显示的室温弹道输运特性推测，对于典型的100nm沟道而言，载流子在源和漏极之间渡越时间仅需0.1ps。如果石墨膜器件，在制备过程中仍能保持高的迁移率，例如达到210

7、4cm2/Vs,在栅长为50nm时，场效应晶体管的截止频率（fT）有望达到太拉赫兹［7］，这将成为石墨基纳米电子学的重要里程碑。　　在光电子器件应用方面，通常的无机化合物半导体材料，如砷化镓、氮化镓（GaN）等，比有机光电子材料有许多优越之处：高的载流子迁移率，高的辐射复合速率以及长期工作的稳定性和可靠性等等，使这些无机化合物半导体材料，十分适合于制备光电子器件，如光发射二极管（light-emittingd