[发明专利]一种调控和表征石墨烯带隙的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种调控和表征石墨烯带隙的方法及装置。

背景技术

石墨烯是一种新型二维平面结构碳材料，自发现以来，其独特的分子结构和优异的物理性能引起了学者和产业界的广泛关注。石墨烯具有高载流子迁移率、强导热能力、零质量狄拉克-费米子行为、异常霍尔效应等一系列物理特性，在纳米光电子器件方面存在巨大的应用潜力。然而纯石墨烯是一种零带隙的半导体，故在保持石墨烯高迁移率的前提下，将石墨烯广泛应用于半导体领域，打开其带隙，使其变成具有一定带隙大小的半导体显得尤为重要。目前，调控石墨烯带隙的方法主要有光刻法、边缘修饰、掺杂、引入外加电压、氢化石墨烯、在不同基体上外延生长石墨烯等方法，其中化学掺杂是改变石墨烯半导体导电性质最常用的方法。

光刻法利用石墨烯带隙和样品宽度之间的函数关系调控带隙，但是，受光刻技术的制约，要刻蚀得到更大宽度的石墨烯非常困难；边缘修饰法通过在石墨烯边缘带引入不同边缘化学终端物来改变石墨烯的金属特性，这种方法针对的是石墨烯带；化学掺杂引入的吸收心，在没有杂质原子取代碳原子的情形下实现了费米能级的调控。吸收心与石墨烯之间的电荷转移可以在很大程度上调控费米能级。通过在石墨烯中引入吸收心产生电荷转移对费米能级的影响比在石墨烯两端加电压和增加其传导率对费米能级的影响大几个数量级。

石墨烯拉曼光谱的D峰、G峰和2D峰在不破坏石墨烯的前提下表征了石墨烯的结构和掺杂。D峰位于1355cm^-1附近，是由K区边界附近声子呼吸振动模式A_1g振动引起的，D峰是离散的，随着激发光子能量的变化而变化，在完美石墨烯样品中是观察不到这个振动峰的，只有当样品中出现缺陷时此峰才被激活。石墨烯2D拉曼峰是石墨烯布里渊区K点附近最高光频支中两个相反动量的光子产生的。2D拉曼峰频率是散射光子频率的两倍，其形状、线宽和位置直接反映了石墨烯电子带的结构，而这些电子带结构又同石墨烯原子层数有关。G峰位于1580cm^-1附近，是由于石墨烯电子带布里渊区中心的双重简并模E_2g引起的，其表征了电荷迁移的程度。

石墨烯作为一种特殊的金属材料，其费米能级在吸收和移除电子的时候将发生很大的变化，这是与传统金属材料区别最大的一点。通过在石墨烯中引入吸收心产生电荷转移对费米能级的影响比在石墨烯两端加电压和增加其传导率对费米能级的影响大几个数量级，精确地控制石墨烯中电荷的转移对石墨烯的应用是至关重要的。对石墨烯进行化学掺杂将引入吸收心，吸收心引起的电荷转移能够改变费米能级，这种方法在没有引入任何取代物质的基础上调控了石墨烯的费米能级，而且与费米能级的调控和掺杂浓度有关，通过控制掺杂浓度可以控制石墨烯的费米能级。石墨烯费米能级的移动和G峰的位置成线性关系，即通过石墨烯拉曼光谱的G峰峰值位置即可表征其费米能级。因此，如果能够提供一种装置，通过对石墨烯进行溴蒸气或碘蒸气化学掺杂来调控石墨烯的带隙，并且通过测量掺杂石墨烯的拉曼光谱G峰峰值位置来表征石墨烯的费米能级，是本发明的任务所在。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种调控和表征石墨烯带隙的方法及装置，对石墨烯进行溴蒸气或碘蒸气化学掺杂，石墨烯吸附溴离子和碘离子引入吸收心，吸收心与石墨烯之间将发生电荷转移，吸收心与石墨烯之间的电荷转移影响其费米能级，通过控制掺杂溴蒸气或碘蒸气的体积来调控石墨烯的费米能级，计算机控制系统利用G峰峰值位置和石墨烯带隙关系实时输出石墨烯费米能级，从而达到调控和表征石墨烯带隙的目的。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种调控和表征石墨烯带隙的方法，对石墨烯进行溴蒸气或碘蒸气掺杂，石墨烯吸附溴蒸气或碘蒸气表面产生吸收心，吸收心与石墨烯之间将发生电荷转移，吸收心与石墨烯之间的电荷转移影响石墨烯的费米能级，通过控制掺杂溴蒸气或碘蒸气的体积调控石墨烯的费米能级；石墨烯拉曼光谱G峰位置表征了吸收心与石墨烯之间电荷迁移的程度，G峰峰值位置的移动和带隙成线性关系，在线监测石墨烯掺杂前和掺杂后的石墨烯拉曼光谱G峰频移，实现石墨烯带隙的表征，其步骤如下：

步骤一：将石墨烯样本放置在密封玻璃空腔中，打开He-Ne激光，通过分光镜和透镜使He-Ne激光聚焦到石墨烯样品的表面；

步骤二：利用光谱仪在线测量石墨烯样品掺杂前的拉曼光谱，并将测得的数据传给计算机控制系统，计算机控制系统进行记录；

步骤三：对放置在密封玻璃空腔中的石墨烯样品进行溴蒸气或碘蒸气的掺杂，并放置一段时间；