石墨烯/Si(111)体系的界面结构、电学性质和热稳定性研究

摘要

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/Si(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)-√3×√3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)-√3×√3和1100K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。

目录

声明

摘要

第1章 背景

1．1 graphene／Si的应用研究

1．2 现有的graphene／Si的构成方法

1．2．1 在衬底Si上直接生长graphene

1．2．2 超高真空中转移graphene flakes到Si衬底上

1．2．3 常温常压下转移graphene到Si衬底上

1．3 graphene／Si的界面结构的理论预测

1．4 graphene／intercalation／Si

1．4．3 graphene／(single)metal layer／Si(111)

1．5 graphene／substrate的平整度识别分析和实验构想

1．5．1 graphene／substrate的平整度识别分析

1．5．2 实验构想

参考文献

第2章 原子级光滑平的graphene／Si(111)的实现

2．1 构建方法和难点

2．1．1 难点、扫描隧道显微镜(STM)和数据分析处理

2．1．2 湿刻得到H-Si(111)

2．1．3 转移CVD-graphene到刚刻蚀好的H-Si(111)上

2．1．4 超高真空退火graphene／H-Si(111)

2．2 实验结果

2．2．1 实验初期普通方法及得到的graphene／Si表面

2．2．2 原子级粗糙／光滑平的graphene／Si

2．3 小结

参考文献

第3章 graphene／Si(111)中graphene电学本征性验证

3．1 graphene／Si中能量依赖的电学透明性和graphene的Dirac点的观察

3．1．1 graphene／semiconductor中能量依赖的电学透明性

3．1．2 脱附H-Si中衬底Si上的H原子

3．1．3 我们的实验结果

3．2 第一性原理计算

3．2．1 基于实验数据的模型

3．2．2 计算结果

3．3 电学输运、XPS结果、单层连续性

3．3．1 电学输运

3．3．2 XPS结果

3．3．3 单层连续性

3．4 小结

参考文献

第4章 graphene／Si(111)体系的热稳定性研究

4．1 760K：graphene／Si(111)moire pattem

4．2 微米级超平贴合的graphene／Si(111)

4．2．1 不断提高退火温度，graphene／Si(111)表面形貌变化趋势

4．2．2 实验上仍保持超平贴合能承受的最高的退火温度

4．2．3 实验结果：微米级超平贴合的graphene／Si(111)

4．3 石墨烯分解

4．4 类似wavy的实验结果

4．5 小结

参考文献

第5章 总结和展望

5．1 全文总结

5．2 展望

5．2．1 厘米级甚至更大面积的超平graphene／Si

5．2．2 graphene／Si能超平贴合的机制

5．2．3 稳定的graphene／Si(111)-7×7摩尔纹结构

5．2．4 graphene／monolayer metal／Si(111)体系

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果