关于石墨烯的结构和方法技术

本申请涉及基于石墨烯的异质结构以及制备基于石墨烯之异质结构的方法。所述石墨烯异质结构包括：i）第一封装层；ii）第二封装层；和iii）石墨烯层。该异质结构在电子器件中发现应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本申请涉及基于石墨烯的异质结构以及制备基于石墨烯之异质结构的方法。所述石墨烯异质结构包括：i）第一封装层；ii）第二封装层；和iii）石墨烯层。该异质结构在电子器件中发现应用。【专利说明】本专利技术一般性涉及有关石墨烯的结构和方法。在一些方面，本专利技术一般性涉及石墨烯异质结构，即包括石墨烯和至少一种其它材料的结构。石墨烯可以理解成碳原子排列成蜂窝状晶格的一个原子厚度的平面片(planarsheet)。为了寻找石墨烯中期望的、预测的或待发现的新现象和应用，据认为重要的是继续提高石墨烯的电子质量(其通常表征为电荷载流子迁移率U)。通过在经氧化的硅晶片顶部进行机械剥离获得的石墨烯通常表现出U~lO’OOOcn^V—is' 1就典型的载流子浓度n~IO12CnT2而言，这样的质量转换成平均自由程l=(h/2e) u (n/n)0.5大约lOOnm，其中h是普朗克常数，e为电子电荷。另一方面，已表明如果消除石墨烯的非本征散射，则由于电子-声子的弱相互作用，室温(T)下石墨烯的迁移率可以达到约200，OOOcm2V-1 s'2事实上，就n~IO11CnT2而言，分别在室温和液氦T下证明了通过高电流退火的悬浮石墨烯的y超过100，OOOcm2V-1S-1和1，000, OOOcm2AT1S' 然而,悬浮器件极易碎,容易受环境气氛影响，并且难以以适当的四探针几何构型退火(后者迄今尚未实现)。另外，在高至室温时，需要大量张力来抑制悬浮石墨烯的挠曲型(flexural mode)并保持高U。5最近,通过使用六方氮化硼(hBN)作为用于剥离石墨烯的原子级平滑且惰性的基底实现了突破。6在n~IO11CnT2时,显示这样的结构表现出U~100，OOOcm2V4S'尽管石墨烯中实现的U得出接近I Pm的1，但是迄今还没有这种等级的弹道效应报道。研究有源传输(active transport)若干年之后，对于石墨烯中电子-电子(“e-e”)相互作用的了解仍然甚少。由于e-e相互作用对薄层电阻的贡献较小，所以常规晶体管结构中e-e相互作用的直接测量需要复杂的分析。两个紧密排列(closelyspaced)的石墨烯薄片的传输特性观察结果可以阐明许多新的相互作用现象，包括例如激子凝聚。这些 作用之一(电子拖曳(electron drag))证实在GaAs/AlGaAs异质结构中是非常有用的工具。因为该拖曳是由两种二维电子气(“2DEG”)的电子密度波动之间的扩散引起的，所以其为层内密度激发(density excitation)和层间电子-电子相互作用的探针。本专利技术根据上述考虑而设计。US2007/0187694针对一种晶体管器件，其通过石墨烯层外延沉积到六方BN层上和BN层外延沉积到石墨烯层上而形成。US2009/029759描述了一种堆叠结构，其由石墨烯外延沉积到六方BN上而形成。然而，尽管在上述专利中有这种结构的明显讨论，但是在本专利技术之前，这个概念断然仍仅仅作为理论概念。事实上，在US2009/029759和US2007/0187694公开时，石墨烯外延生长到BN上是在任何地方都尚未实现的方法。因此，它们二者都是理论应用而并没有在实际上付诸实施。事实上，从这些文献中显然的是，使用其中描述的方法无法获得上文提到的应用所涉及的器件。该观点被Liu等人更近期的论文(Direct Growth of Graphene/Hexagonal Boron Nitride Stacked Layers ；Liu, Z.;Song，L ；Zhao, J.;Ma，L ；Zhang, J.；Lou, J.；Ajayan ；P.M.；Nan0.Lett.;2011 ;11 ;2032_2037.)证实，该论文显然首次描述石墨烯沉积在六方BN上和六方BN沉积在石墨烯上。但是，该论文仍有不足，并且所生产的材料是作为一个整体(因为并非BN-石墨烯复合物)被科学界广泛接受。对该论文和早期专利的主要评论之一是作者并未实际拥有该材料，而仅仅是对该材料可能结构和特性进行推测。然而，如由许多为了获得该材料的不成功尝试所证明的，BN (特别是六方BN)上石墨烯的生长是不可预知并且难以实现的。本专利技术已首次成功地提供可以被生产和表征的BN-石墨稀结构。例如，在现实中，当尝试形成结构时，本专利技术发现主要问题之一涉及这样的事实:hBN上石墨烯的沉积可导致许多含有捕获的被吸附物(推测是烃)的“气泡”。这可严重影响石墨烯的电子特性和作为一个整体的异质结构。现有技术中甚至没有考虑这个问题。然而，如果这种气泡存在于器件的有源部分中，则将导致显著的电荷不均匀性并且有效致使器件失效。本专利技术已经克服了该问题和其它问题。本专利技术解决的一个问题在于提供根据本专利技术的第一方面的异质结构并且还提供包含该异质结构的器件。US2009/029759和US2007/0187694 二者都没有解决这个问题。用来获得这些新结构的方法也代表本专利所解决技术问题的一部分。专利技术概沭本专利技术的第一方面可以提供:石墨稀异质结构，其具有:第一封装层；第二封装层；和布置在第一封装层与第二封装层之间的石墨烯层。上文中使用的术语石墨烯包括“原始的”(即，未经过化学改性的)石墨烯以及功能化的石墨烯二者。因此形成顶部和/或底部电极的单个石墨烯层可以是石墨烯或功能化的石墨烯。石墨烯还可以通过物理手段(例如热处理)来改性。在下文中，为了简洁起见，本专利技术将石墨烯和改性石墨烯二者统一简称为石墨烯。通过以这种方式封装石墨烯层，使石墨烯层较不易受其环境影响，并且可以导致石墨烯具有提高的电荷载流子迁移率U，细节参见实验I。因此，本专利技术的第一方面可以提供石墨烯异质结构，其具有100，OOOcm2V-1S-1或更大的电荷载流子迁移率U，优选地在室温下(例如，20°C)。优选地，第一封装层包括氮化硼，更优选地是第一封装层为氮化硼。更优选地，第一封装层包括六方氮化硼，更优选地是第一封装层为六方氮化硼。例如，第一封装层可以是六方氮化硼晶体。优选地，第二封装层包括氮化硼，更优选地是第二封装层为氮化硼。更优选地，第二封装层包括六方氮化硼，更优选地是第二封装层为六方氮化硼。例如，第二封装层可以是六方氮化硼晶体。六方氮化硼优选地作为第一封装层和第二封装层的材料，因为其可充当石墨烯的原子级平滑且惰性的基底。发现利用六方氮化硼作为第一封装层和第二封装层导致石墨烯异质结构尤其表现出Ium的室温弹道传输距离和高电荷载流子迁移率U，即使在室温下也是如此，细节参见实验I。认为理论上除六方氮化硼以外的材料(例如氧化铝)也可用作第一封装层和/或第二封装层。然而，不优选这些其它的材料，因为它们不如氮化硼平坦和/或不具有氮化硼所具有的其它有用特性。优选地，石墨烯层直接相邻第一封装层，即它们之间没有其它层。优选地，第二封装层直接相邻石墨烯层，即它们之间没有其它层。在一个实施方案中，石墨烯异质结构可以包括第二石墨烯层。这使得能够形成更复杂的器件，包括集成电路的晶体管的若干个层。在该实施方案中，石墨烯层成为第一石墨烯层。第一封装层可以在第一石墨烯层与第二石墨烯层之间。或者，第二封装层可以在第一石墨烯层与第二石墨烯层之间。在另一个实施方案中，石墨烯异质结构包括第三封装层。以这种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·K·海姆，K·S·诺沃肖洛夫，R·V·戈尔巴乔夫，L·A·波诺马连科，
申请(专利权)人：曼彻斯特大学，
类型：
国别省市：