外延石墨烯电导率和费米速度随温度变化规律研究

考虑到原子的非简谐振动和电子-声子相互作用,建立了金属基外延石墨烯的物理模型,用固体物理理论和方法,得到金属基外延石墨烯的电导率和费米速度随温度变化的解析式.以碱金属基底为例,探讨了基底材料和非简谐振动对外延石墨烯电导率和费米速度的影响.结果表明:1)零温情况下,碱金属基外延石墨烯的电导率和费米速度均随基底元素原子序数的增大而增大;2)外延石墨烯的电导率随温度升高而减小,其中,温度较低时时变化较快,而温度较高时则变化很慢,费米速度随温度升高而增大,其变化率随基底材料原子序数的增大而增大;3)原子非简谐振动对外延石墨烯的电导率和费米速度有重要的影响,简谐近似下,费米速度为常数,电导率的温度变化率较大;考虑到原子非简谐项后,费米速度随温度升高而增大,电导率的温度变化率减小;温度愈高,原子振动的非简谐效应愈明显.

吸附对外延石墨烯态密度和能隙的影响

利用抛物型电子能谱模型,求出了半导体基底的态密度和半导体基底上形成的外延石墨烯的态密度,并与理想单层石墨烯的态密度相比较,分析外延石墨烯态密度特点和能隙产生的条件.以Si基底上形成的外延石墨烯为例,论述了外延石墨烯态密度按能量分布的特点和吸附对外延石墨烯态密度和能隙的影响.结果表明:(1)外延石墨烯的局域态密度曲线与理想单层石墨烯和基底的态密度曲线不同,它不具有对零能量的左右对称性;(2)吸附不仅使理想单层石墨烯和半导体基底的态密度曲线对零能量的左右对称性受到破坏,而且改变了石墨烯的能隙宽度;(3)外延石墨烯的能隙宽度随着半导体基底与石墨烯相互作用能的增大而增大,但变化较小.

原子非简谐振动对金属基外延石墨烯电导率的影响

考虑到原子的非简谐振动和电子-声子相互作用,建立了金属基外延石墨烯的微观物理模型,用固体物理理论和方法,研究了外延石墨烯电导率随温度的变化规律,以Cu,Ni金属基底外延石墨烯为例,探讨了基底材料和原子的非简谐振动对电导率的影响.结果表明:(1)金属基外延石墨烯的电导率随温度升高而减小,其中,温度较低时时,变化较快,而温度较高时则变化很慢;它的电导率包括声子的贡献和电子的贡献两部分,其中电子的贡献部分很小,且随温度的变化也小,而声子的贡献远大于电子且随温度变化较大.(2)基底材料和原子的非简谐振动对金属基外延石墨烯的电导率有重要的影响:简谐近似下,电导率随温度的变化较小,考虑到非简谐振动,电导率随温度的变化增大.温度愈高,非简谐效应愈显著.理论结果与其他文献的值以及电学理论相近.

空穴浓度、基底和温度对金属基外延石墨烯态密度的影响

以吸附在金属铜基底上的外延石墨烯为例,研究了空穴浓度随温度的变化,探讨了空穴浓度和基底以及温度对金属基外延石墨烯态密度的影响.结果表明:(1)空穴浓度随温度升高而非线性增大,铜基底外延石墨烯的空穴浓度随温度的变化率小于石墨烯的相应值;(2)与石墨烯相比,基底的存在使铜基外延石墨烯的空穴浓度随温度的变化要迅速增大,态密度在电子能量为0时的值要增大,而态密度极大值相应的电子能量(称为最可几能量)变小;(3)铜基外延石墨烯的态密度随空穴浓度α的增大和温度的升高而减小,其中,随空穴浓度α的变化为线性,而随温度的变化为非线性.

金属基外延石墨烯相图非谐效应探讨

考虑到原子的非简谐振动,建立了物理模型,应用固体物理理论和方法,研究了金属基外延石墨烯电子系统的可能状态和相图,并以钨基底上的外延石墨烯为例,探讨了原子非谐振动和电子排斥作用对相图的影响。结果表明,(1)金属基外延石墨烯电子系统有3种可能相:自旋波状态(BC)的反铁磁相、电荷密度态(BZ)的顺磁相和半金属态(PM)的半金属相;(2)外延石墨烯呈现的相,取决于石墨烯中原子内部电子关联U和原子间电子关联G的变化。对钨基外延石墨烯而言,当U=0.33284 eV和G=0.11904 eV时,会出现半金属相、反铁磁相、顺磁相三相共存;(3)原子的非简谐振动对金属基外延石墨烯的相图有重要的影响。不考虑原子非简谐振动时,外延石墨烯的相变曲线与温度无关;而考虑原子非简谐振动后,相变曲线不仅与温度有关,而且对发生相变的条件要求更高:原子内部电子关联U要更强。温度愈高,发生半金属-反铁磁-顺磁相变愈难,原子非简谐振动效应愈显著。

空位缺陷对金属基外延石墨烯态密度和电导率的影响

考虑到空位缺陷的存在和原子非简谐振动,以铜、镍基外延石墨烯为例,研究了金属基外延石墨烯空位缺陷浓度和态密度以及电导率随温度的变化规律,探讨了空位缺陷的影响.结果表明:(1)空位缺陷浓度随温度升高而非线性增大,外延石墨烯的空位缺陷浓度及其随温度的变化率均大于石墨烯;(2)与石墨烯相同,金属基外延石墨烯的态密度变化曲线对电子能量为0为对称,但空位缺陷的存在使态密度在电子能量为零时的值不为零,空位缺陷对导带态密度的影响大于价带;态密度随空位缺陷浓度α的增大而线性减小,但减小幅度不大,而温度对石墨烯态密度几乎无影响;(3)金属基外延石墨烯的电导率近似等于电子声子相互作用贡献的电导率,并随温度升高而非线性减小;空位缺陷的存在使电导率有所减小,但只在较高温度下才明显.原子非简谐振动情况的电导率稍大于简谐近似的电导率,温度愈高,两者电导率的差愈大,即非简谐效应愈显著.

非简谐振动和吸附对金属基外延石墨烯吸附系统电导率的影响

考虑到吸附原子与外延石墨烯原子的相互作用以及石墨烯原子的非简谐振动,研究了外延石墨烯吸附系统的电导率随温度变化的规律.以吸附在Cu和Ni基外延石墨烯上的W原子的系统为例,探讨了原子非简谐振动和吸附对电导率的影响.结果表明:①金属基外延石墨烯吸附系统的电导率随温度升高而减小,不考虑声子电子的相互作用和吸附时,系统的电导率随温度升高而增大,但变化极小;②声子电子相互作用引起的电导率改变量随温度升高而减小,几乎与温度成反比;③吸附引起的电导率改变量在温度不太高(低于600 K)时可以忽略,而温度较高时则随温度升高而迅速增大,温度达到1000 K时,吸附对电导率的影响可占总量的4.35%;④原子非简谐振动对系统的电导率有重要影响.简谐近似时,电导率几乎与温度成反比.考虑到原子非简谐振动后,电导率比简谐近似的值增大,温度愈高,非简谐效应愈明显.

非简谐振动对半导体基外延石墨烯热电效应变化规律的影响

本文建立了半导体基外延石墨烯的物理模型,考虑原子的非简谐振动,研究了它的杂化势以及热电势随化学势和温度的变化规律,探讨了原子非简谐振动对热电效应的影响.对硅基外延石墨烯热电势的研究结果表明:简谐近似下,杂化势与温度无关;只考虑到第一非简谐项,杂化势随温度升高而增大;同时考虑到第一、第二非简谐项,则杂化势随温度升高而减小.在给定温度下,外延石墨烯的热电势随化学势的变化在化学势为0处不具左右对称性,且在化学势为±0.25 eV附近有突变;给定化学势时,外延石墨烯热电势与单层石墨烯相似,均随温度升高而非线性减小,但外延石墨烯的值大于单层石墨烯的值;与简谐近似相比,非简谐效应会减小外延石墨烯热电势的值但减小量很小.非简谐效应对热电势的影响随温度的升高而缓慢增大,大小在0.23%~0.25%之间.

Si面4H-SiC衬底上外延石墨烯近平衡态制备

SiC热解法是制备大面积、高质量石墨烯的理想选择之一.外延石墨烯的晶体质量仍是制约其应用的关键因素之一.本文通过SiC热解法在4H-SiC(0001)衬底上制备单层外延石墨烯.通过引入氩气惰性气氛和硅蒸气,使SiC衬底表面的Si原子升华与返回概率接近平衡,外延石墨烯生长速率大大减慢,单层石墨烯的生长时间从15 min延长至75 min.测试分析表明,生长速率减慢,外延石墨烯中缺陷减少,晶体质量提高,使得外延石墨烯的电性能都得到改善,单层外延石墨烯的最高载流子迁移率达到1200 cm2/V·s,方阻604?/.以上结果表明,控制生长气氛,减慢生长速率是实现高质量外延石墨烯的可行途径之一.

基于6H-SiC衬底外延石墨烯的被动锁模掺镱光纤激光器

报道了6H-SiC衬底外延生长的石墨烯作为可饱和吸收体,环形腔结构的全正色散被动锁模掺镱光纤激光器。在注入抽运功率为250mW时,得到稳定的重复频率为1.05MHz的自锁模脉冲,平均输出功率为6mW;当注入抽运功率增加到480mW时,最大平均输出功率为20mW,相应的最高单脉冲能量为19nJ,激光脉冲宽度约为520ps。

Si面6H-SiC衬底外延石墨烯的异常硝酸掺杂效应

比较研究了Si面、C面SiC外延石墨烯以及CVD石墨烯的硝酸掺杂效应。结果表明对C面SiC外延石墨烯和CVD石墨烯,硝酸掺杂显现出p型掺杂特性使其方阻降低,这是由于硝酸与石墨烯氧化还原反应过程中电荷转移所导致;而对于Si面SiC外延石墨烯,硝酸掺杂则显现出n型掺杂特性使其方阻增大,这种异常掺杂效应是由于硝酸与石墨烯发生氧化还原反应释放出的热量使悬挂键吸附的氧脱附,增强了石墨烯与衬底之间的耦合效应,从而使得电子浓度增大,电子的迁移率显著减小。

碳化硅衬底上外延双层石墨烯的电输运性质

石墨烯是低维材料领域研究的热点,在这一体系中研究发现了诸多新奇的量子现象,深入理解石墨烯的电输运性质对于其在未来电子学器件中的应用具有重要的意义.本文通过热分解的方法在SiC单晶衬底上获得外延的双层石墨烯,并系统研究了其电输运性质.在小磁场范围内观测到弱局域化效应,并在较大的磁场区间发现了不饱和线性磁阻.通过角度依赖的磁阻测量,发现该线性磁阻现象符合二维体系的磁输运特征.还在平行场下观测到了负磁阻效应,可能是由双层石墨烯的转角莫尔条纹导致的局部晶格起伏导致的.本文工作加深了对于外延生长的层间具有一定转角的双层石墨烯的电输运性质的认识.

碱金属基底和吸附强弱对石墨烯态密度的影响

应用固体物理理论和方法,探讨了碱金属(锂、钠、钾、铷、铯)、石墨烯以及碱金属基外延石墨烯的态密度,进一步得出碱金属基底和吸附强弱对外延石墨烯态密度的影响。结果表明:碱金属基底、单层石墨烯、碱金属基外延石墨烯的态密度曲线均相对于能量x=0对称,但变化情况不同;碱金属基底的态密度和碱金属基外延石墨烯的态密度的极大值均随原子序数的增加而增大;碱金属基吸附石墨烯越强,金属基外延石墨烯的电子出现较大能量的概率以及电子最可几能量越小(铯元素除外)。

碳基纳电子的新进展(续)

4 GFET MMIC大面积的CVD和外延石墨烯材料以及RF GFET的进展为石墨烯单片集成电路(MMIC)的发展奠定了材料和器件基础,由于石墨烯器件具有特有的双极性能、高电子迁移率、二维电子气、弹道输运以及独特的电子和机械性能等特性,目前石墨烯电子学在混频器、放大器、THz探测器、弹道整流器和柔性电路等五方面已有长足进步。