石墨烯Si(111)体系的界面结构、电学性质和热稳定性研究

石墨烯/Si(111)体系的界面结构、电学性质和热稳定性研究

石墨烯(graphene,本文均指单层)本身具有优异的热学、电学、力学、光学性能,打开了单原子层二维材料的大门,其后涌现了种类繁多、性能优异的二维材料。如何将它们应用到现实生活中,带来新一代的科技突破是一个关键问题。

本论文详细介绍了石墨烯(graphene)与硅衬底(Si(111)substrate)原子级光滑平(也就是超平)贴合的实验构想、制备过程、界面结构、电学性质和热学稳定性。第一章阐述了本文研究的graphene与Si(111)衬底超平贴合的背景,包括graphene/Si器件的应用研究、目前制备graphene/Si的方法、graphene/Si界面结构的理论预测和graphene/substrate的平整度分析。

结合这些背景,我们提出了实验构想:实验上很有可能可以制备出超平贴合的graphene/Si。第二章介绍了原子级光滑平graphene/Si的实验难点和构建方法。

构建方法主要包括湿法刻蚀得到近原子级光滑平的H-Si(111)衬底,然后干法转移石墨烯到刚刻蚀好的H-Si(111)衬底上,迅速将转移好的

graphene/H-Si(111)传入超高真空腔,并在保持气压不超过1×10-9mbar的条件下低温长时间退火。通过简单介绍实验初期普通方法得到的graphene/Si(111)表面,对比介绍了原子级光滑平graphene/S i(111)的实验结果。

第三章通过展示原子级光滑平的graphene/Si体系中能量依赖的电学透明性、微分电导谱线中的狄拉克点、第一性原理计算的结果、电学输运、XPS和Raman结果表明graphene没有与硅衬底上的悬键形成很强的化学键,仍然保持了其低能区线性狄拉克色散关系。第四章介绍了原子级光滑平graphene/Si(111)体系从室温到1100K石墨烯分解,表面的形貌特征随温度的变化。

实验结果主要包括低温区graphene/H-Si(111)、刚脱附氢原子后 graphene/Si-5×5 摩尔纹与 graphene/Si(111)-c(2×4)、

graphene/Si(111)-c(2×8)、graphene/Si(111)-2×2、graphene/Si(111)-(?)×(?)共存、高温退火后得到微米级 graphene/Si(111)-c(2×4)、

graphene/Si(111)-c(2×8)、graphene/Si(111)-2×2、graphene/Si(111)-(?)×(?)和 11OOK 退火后石墨烯分解。第五章总结了前面的实验结果,并对超平贴合的graphene/Si在厘米级构建、特殊相对角度的机制研究、稳定的graphene/Si(111)-7×7摩尔纹结构和在其间插层金属层结构的可行性进行了阐述。