[发明专利]调节石墨烯禁带宽度的方法、石墨烯半导体元件、半导体和应用

说明书

本发明提供了一种调节石墨烯禁带宽度的方法、石墨烯半导体元件、半导体和应用，涉及石墨烯技术领域。该方法通过使氧化石墨烯、任选的调节剂和水形成的第一溶液在基材表面形成薄膜，然后将形成有薄膜的基材进行干燥、加热，以使薄膜中的氧化石墨烯还原为石墨烯，任选的采用氧化剂进行处理，以调节石墨烯的禁带宽度；其中，通过采用氧化剂或者调节剂对石墨烯进行官能团修饰，使其具有一定的吸电子能力或者给电子能力，从而改变石墨烯的电子激发能，达到连续可控调节石墨烯禁带宽度的目的；另外，该方法中所采用的氧化剂或者调节剂原料廉价、易得，整个处理过程符合无污染、低能耗、低碳排放的理念。本发明还提供了一种石墨烯半导体元件和半导体。

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，尤其是涉及一种调节石墨烯禁带宽度的方法、石墨烯半导体元件、半导体和应用。

背景技术

半导体是在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体中的大量电子都是价键上的电子(称为价电子)，并非可以传导电流的载流子。只有当价电子通过本征激发跃迁到导带而产生出自由电子和自由空穴后，才能够导电。因此，禁带宽度(E_g)的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量。E_g被定义为从价带顶部到导带底部的能量差，这是将电子从价带激发到导带所需的最小能量。

禁带宽度与半导体材料方方面面的性质都密切相关，它直接决定着器件的耐压和最高工作温度。对于以导电为主要目的半导体来说，禁带宽度越小，半导体的导电性越强。对于以温度传感为主要目的的半导体来说，禁带宽度越大，半导体的本征激发效益受温度影响越大，其温度传感性越强。对于以光电效应为主要目的的半导体来说，其禁带宽度应尽可能接近对应的光子所具有的能量。因此，如何能够可控地、有效地调节半导体的禁带宽度，一直以来都是半导体重要的研究方向。

常见的无机半导体材料包括硅(E_g＝1.12eV)、砷化镓(E_g＝1.42eV)、磷化镓(E_g＝2.26eV)和锗(E_g＝0.66eV)等。这些半导体材料的禁带宽度可视为定值，只会随温度发生微小改变。改变半导体材料的禁带宽度最常见的方法就是在已有的半导体材料中掺杂其他的元素，如在硅中掺入硼、在砷化镓中掺入硅等等。当掺杂浓度很高时，由于杂质能带和能带尾的出现，有可能导致禁带宽度变窄。无机半导体材料进行掺杂的方法有两种。第一种是在高温下(＞1000摄氏度)将掺杂元素通过热扩散的方式渗入到基体材料中。第二种是将掺杂元素在强电场下电离成离子，通过强电场的作用将离子加速并撞击到基体中，实现元素的掺杂。

尽管现有的半导体掺杂技术已经可以较为精准地调整半导体的禁带宽度，但是依然存在着一些限制：(1)半导体的掺杂伴随着掺杂元素对晶格的破坏，掺杂的元素比例越多，晶格被破坏得就越严重，这表明掺杂对于半导体的能带调整是有极限的；(2)无机半导体材料的冶炼和掺杂条件相对苛刻，伴随着高污染与高能耗，这导致无机半导体的成本一直居高不下；(3)由于电子和原子的碰撞产生的欧姆损耗，传统的无机半导体会在工作中消耗相当一部分能量，有时甚至高达总能耗的80％；(4)无机半导体材料普遍韧性不佳，在拉伸、冲击的作用下仅产生很小的变形即断裂破坏，抗载荷、震动和冲击能力很差，限制了半导体材料在许多环境下的应用。

作为一种新的半导体材料，石墨烯(graphene)在最近十几年受到了广泛的关注和深入的研究。石墨烯是一种主要由碳组成的二维材料，碳原子在二维平面上按六边形排布，彼此之间以碳碳双键相连接。石墨烯是目前世界上最薄的纳米材料，导热系数高达5300W/mK，常温下其电子迁移率超过15000cm²/(V·s)。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当受到外力时，碳原子表面会发生弯曲而不断裂，展现出了极佳的延展性和柔韧性。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，其电子能量不被损耗，这使它具有非比寻常的导电特性。同无机半导体材料类似，石墨烯也具备导带和价带。如何实现石墨烯禁带宽度的可控调节以改善传统无机半导体的缺陷是亟待解决的问题。