聚焦离子束下图形化对单层石墨烯性能影响的研究

摘要

石墨烯是碳的同素异形体的基本组成单元，具有独特的平面二维结构。由于其优异的电学、光学和机械性能，石墨烯成为新型材料领域的研究热点。基于石墨烯的器件通常是采用电子束光刻结合等离子刻蚀的方法制备的。然而，电子束光刻过程中使用的光刻胶会污染石墨烯表面并降低其传输特性。聚焦离子束（Focused ion beam, FIB）刻蚀是半导体工业广泛使用的加工工艺，具有高加工精度的同时不需要进行旋涂光刻胶处理，能够避免对石墨烯造成的损伤。本文采用聚焦离子束系统下的镓离子束对单层石墨烯进行图形化处理，借助拉曼光谱仪（Raman spectroscopy, RS）和原子力显微镜（Atom force microscope, AFM）对石墨烯进行表征，通过改变离子滞留时间研究不同剂量的镓离子对单层石墨烯性能造成的影响。
　　采用化学气相沉积法制备石墨烯，并将其转移到目标衬底上。采用RS对辐照前后的石墨烯进行Raman光谱表征。表明：原始石墨烯呈现出典型的单层石墨烯的Raman光谱；随着离子剂量的增加，D峰和G峰的比值先增大后减小，G峰和2D峰的半峰宽增大，同时G峰和2D峰峰强逐渐减弱。离子辐照造成石墨烯中缺陷密度增加，导致D峰增强，同时造成石墨烯晶格紊乱，导致G峰和2D峰强度减弱、半峰宽增加。当缺陷发生聚集时，非晶化区域增多，石墨烯特征峰逐渐减弱。
　　采用AFM下的峰值力轻敲模式，分别对离子辐照前后石墨烯的表面形貌进行表征。表明：随着离子剂量增加，石墨烯的表面粗糙度先减小后增大。当离子剂量较小时，离子溅射碳原子并轰击表面杂质，导致大尺寸杂质减少，再加上离子辐照时的热退火作用减少表面吸附物，导致石墨烯的表面粗糙度减小。继续增大剂量，悬挂键增多，形成碳氢化合物堆积，同时离子辐照使石墨烯表面产生褶皱，因此石墨烯的表面粗糙度增大。
　　采用AFM下的扫描电容模块和开尔文探针模块表征离子辐照前后石墨烯的电学性能和功函数的变化。表明：石墨烯样品的电容信号减小，石墨烯的功函数先增大后减小。镓离子辐照导致石墨烯的缺陷密度增加，石墨烯发生金属-绝缘体转变，导致电容信号减弱。与此同时石墨烯本征结构的改变使石墨烯的功函数发生改变。离子打断石墨烯的碳碳键形成悬挂键，吸附空气中的掺杂物并发生电子转移，导致石墨烯p型掺杂，使石墨烯的功函数增加。随后，石墨烯转变为完全无定形碳，导致石墨烯的功函数下降。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 石墨烯的结构及特性

1.3 石墨烯的应用

1.4 石墨烯图形化的研究现状

1.5 本文的研究内容

第二章 石墨烯的制备和表征

2.1 石墨烯的制备

2.2 CVD法石墨烯的生长过程

2.3 石墨烯的转移

2.4 Raman表征

2.5 AFM表征

2.6 本章小结

第三章 镓离子辐照对石墨烯的Raman光谱和表面形貌的影响

3.1 引言

3.2 FIB系统

3.3 实验

3.4 镓离子辐照的分子动力学仿真

3.5 结果与分析

3.6 本章小结

第四章 镓离子辐照对石墨烯的电学性能和功函数的影响

4.1 实验

4.2 实验仪器和测试原理

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果