【摘 要】
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石墨烯由于它独特的二维结构,而具有优异电导率、高透射性、高机械强度及柔性,是一种很有前景的材料,被广泛应用在很多领域;目前,大晶畴单晶石墨烯的生长研究依然是研究热点,而氧气在大晶畴石墨烯生长中扮演着重要角色;另外对于PMMA转移石墨烯过程中石墨烯表面容易出现残胶颗粒大数量多以及石墨烯器件性能易受到很多接触因素影响等问题;基于上述背景,本文采用铜衬底CVD法研究氧处理对于石墨烯生长的影响,并在氧参与
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石墨烯由于它独特的二维结构,而具有优异电导率、高透射性、高机械强度及柔性,是一种很有前景的材料,被广泛应用在很多领域;目前,大晶畴单晶石墨烯的生长研究依然是研究热点,而氧气在大晶畴石墨烯生长中扮演着重要角色;另外对于PMMA转移石墨烯过程中石墨烯表面容易出现残胶颗粒大数量多以及石墨烯器件性能易受到很多接触因素影响等问题;基于上述背景,本文采用铜衬底CVD法研究氧处理对于石墨烯生长的影响,并在氧参与的基础上研究CVD法主要的生长参数对石墨烯生长的影响;之后使用小分子MMA优化了石墨烯的转移方法,最后基于TLM模型器件研究了多种情形下石墨烯的接触特性;开展的研究与取得成果如下:1、研究三种氧气参与石墨烯生长的方式,分别是CVD腔室外热台加热氧化、CVD腔室内通入甲烷生长之前氧化及退火之前氧化;实验表明在降低石墨烯成核密度方面,经CVD腔室内退火之前氧处理后,铜箔上的石墨烯成核密度最小,达到0.1327mm-2;同时石墨烯晶畴平均直径速度最大,可达47μm.min-1。2、在氧参与下研究CVD法主要生长因素对石墨烯成核密度的影响,如生长温度、氢气甲烷流量等;温度对石墨烯生长的实验表明,随着温度的升高,石墨烯的成核密度呈现出先增大后减小的趋势,在1050oC时石墨烯成核密度最低;石墨烯的生长速率呈现出增大的趋势,石墨烯的生长激活能为2.24eV;氢气甲烷流量的实验表明,在小流量甲烷下,石墨烯单晶畴平均直径尺寸随着氢气流量的增大而减小;石墨烯的尺寸随着甲烷流量的增大而增大,适合快速大晶畴高质量的生长甲烷氢气流量比例在1:500左右。石墨烯单晶畴的生长速率研究表明,在石墨烯晶畴合并之前石墨烯单晶畴以恒定速率生长,生长速率为35.36μm.min-1,石墨烯成核时间5.38min。3、借助MMA转移石墨烯,表明MMA可以作为辅助层转移出完整的石墨烯;与PMMA辅助转移石墨烯相比,MMA与石墨烯间有较小的吸附能,石墨烯非故意掺杂浓度小,残胶颗粒尺寸小,具有较好的表面平整度。转移叠层石墨烯透射研究表明,单层石墨烯的透射率为97.01%,石墨烯单层吸收率为2.44%。4、研究影响石墨烯接触特性的因素,如退火条件、金属电极材料选择、绝缘衬底选择及石墨烯表面钝化处理等。退火温度范围是300oC500oC,石墨烯电极接触电阻随着温度升高呈现出先较小后增大的趋势;在退火温度为400oC时,电极接触电阻达到最小,为553.95Ω.μm;相比未经退火处理,接触电阻减小2.5倍;退火时间在215min范围内,电极接触电阻呈现出先减小后增大的趋势,在退火时间为9min时,电极接触电阻为787.55Ω.μm,取到最小值,因而优化的退火条件为400oC、10min;金电极与铝电极的实验表明,铝电极接触电阻是金电极接触电阻的24倍大;不同绝缘衬底对石墨烯接触特性的研究表明,选择SiO2、Al2O3绝缘衬底的石墨烯接触特性优于HfO2、ZrO2作为绝缘衬底;石墨烯器件的表面钝化研究表明,PMMA是可以作为石墨烯钝化层,从而有效增强了GFET器件的栅控特性。
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