多维度石墨烯生长机理探究5.31.docx

多维度石墨烯生长机理探究第一章 相关概述石墨烯是由单层sp2 杂化碳原子组成的六方点阵蜂窝状二维结构，包含两个等价的子晶格A和B。它的单层厚度为0.35 nm，C-C 键长为0.142 nm，其独特的稳定结构使之具有不同于其它材料的优良性能。石墨烯是一种零带隙半导体材料，超高的载流子迁移率，是商用Si材料迁移率的140倍，达到200000cm2/Vs，高于目前已知的任何半导体材料。在典型的100nm通道晶体管中，载流子在源和漏之间传输只需要0.1ps，因此可应用于超高频器件，为提供一种扩展HEMT频率到THz成为可能。在石墨烯上，整流栅电极可以相隔几纳米放置，这样沟道更短而且传输更快。导热性能优良，热导率是金刚石的3倍，达到5000 W/mK；超大的比表面积，达到2630m2/g；此外，它非常坚硬，强度是钢的100多倍，达到130 GPa。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。材料热导率(W/cmK)电子迁移率(cm2/Vs)饱和电子漂移速度(×107cm/s)Si1.512001.0InP0.684600SiC4.96002.0GaN1.515002.7Graphene5020000010有关专家认为，石墨烯很可能首先应用于高频领域，是超高功率元器件的潜质材料。石墨烯特殊的结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应、从不消失的电导率等一系列性质，引起了科学界巨大兴趣，掀起了一股研究的热潮。安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因其在石墨烯二维材料方面的原创性杰出工作被授予2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯和主要半导体材料的迁移率尽管长期以来物理学界普遍认为严格的 2D晶体在自由状态下不可能存在 （热扰动使原子在第三个维度上的涨落大于晶格常量，2D晶体熔化），但是关于 Graphene的理论工作一直在进行。 早在 1947年 P .R.Wallace通过理论计算给出了 Graphene的能带结构，并以此为基础构建石墨 (graphite)，获得了关于晶格中电子动力学信息，预言了 Graphene中相对论现象的存在。虽然当时人们并不相信二维晶体的存在，但是 Wallace的工作对于石墨的研究起了引导性的作用。石墨 (graphite)作为一种半金属性 (semi metal)材料，在布里渊区边界能带发生交叠，使电子能在层与层之间传输，当 graphite的层数减少到仅有单层(Graphene)时，能带变为单点交叠的方式 (如下图（a）所示 )，而且由电子完全占据的价带和由空穴完全占据的导带对于这些交叠点 (K和 K′ )完全对称。第二章 实验仪器和原理简介本论文的实验工作主要是在超高真空分子束外延-扫描隧道显微镜联合系统中进行的。下面介绍其工作原理和相关的辅助设备。2.1超高真空技术真空的界定是在给定的空间内低于一个标准大气压力的气体状态，我们把这种稀薄的气体状态称为真空[10]。真空度的高低通常用气体压强来表示。气体压强越低，表示真空度越高；气体压强越高，真空度就越低。早期用汞柱高度测量压强，将760毫米汞柱高规定为一个标准大气压。第10届国际计量大会采用帕定义标准大气压，规定：1标准大气压（ATM)=101325帕（Pa)。并规定，标准大气压的1/760为1托(Torr)。对于真空区域，学术界通常按照气体压强大小的不同将真空划分为5个区域：普通真空 760～10 Torr，低真空 10～10-3 Torr，高真空 10-3～10-8 Torr，超高真空 10-8～10-12 Torr，极高真空小于10-12 Torr。图2.1 (a)典型的超高真空系统示意图 (b)漏率ΔQ的主要来源图2.1(a)描述了超高真空系统的模型，主要有腔体和泵组两部分组成。腔体内的真空度P由泵组的抽速S和系统的漏率ΔQ共同决定（P =ΔQ/S）。漏率ΔQ 主要有四种途径：（1）大气渗透，主要是较小质量（如H2和He）的气体在腔体内外气压之下渗透到超高真空中；（2）溶解在仪器体内的气体扩散到真空腔体中；（3）腔壁和零部件材料本身的自蒸发；（4）吸附在腔壁和零部件表面上气体的热脱附。实验是在超高真空(Ultra-high vacuum简称UHV)环境中进行的，为了实现从760Torr的大气压力到10-9～10-11 Torr的超高真空状态，需要一个真空泵组联合起来使用才可以实现，包括机械泵、涡轮分子泵、溅射离子泵和钛升华泵。其中，机械泵和涡轮分子泵属于抽气型真空泵，而溅射离子泵和钛升华泵属于反应型的。机械泵工作原理是通过一个偏心的圆柱转子，不断地把吸入的气体压缩后排放出去。它可以直接把系统压力从大气状态抽到10-4 Torr真空，可以单独使用，也可以用作分子泵的的前级泵。涡轮分子泵是利用高速旋转的叶