石墨烯器件在溶液環(huán)境下的性能研究.pdf

1、石墨烯因其狄拉克載流子高遷移率、高熱導(dǎo)率、高強度、高透明性和柔性等獨特性能引起了物理、化學(xué)、材料、電子等多領(lǐng)域的密切關(guān)注。作為自然界已知最薄的材料,兼具很高的力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性,石墨烯在傳感器件中的潛在應(yīng)用得到大量探索?；谑┑亩喾N傳感器,如氣體、PH、金屬離子和生物分子濃度傳感器,及DNA檢測器等在國際上被提出并開展了一定研究。然而,對于石墨烯在溶液環(huán)境下應(yīng)用時的基本性質(zhì),如轉(zhuǎn)移輸運特性、霍爾靈敏度和磁阻特性等目前還缺乏系統(tǒng)研究和清

2、晰了解,本論文系統(tǒng)研究了石墨烯器件在溶液環(huán)境下性能和調(diào)控方法,以為新型石墨烯傳感器件提供基礎(chǔ),主要的研究工作和結(jié)果為:
　　首先,開展了石墨烯單層的化學(xué)氣相制備及其相應(yīng)器件的制作。用化學(xué)氣相沉積法(CVD)以甲烷為碳源在銅箔上生長石墨烯,拉曼光譜和掃描電子顯微鏡測試表明在適當(dāng)條件下生長的石墨烯為大面積單原子層。通過表面氧化觀測法,研究了銅箔表面形貌對石墨烯質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)粗糙銅箔表面生長的石墨烯有較多缺陷,對銅箔電化學(xué)拋光后可改善

3、石墨稀的質(zhì)量。用腐蝕基體法將石墨烯轉(zhuǎn)移到PET等襯底上制備了液柵調(diào)控石墨烯場效應(yīng)管和石墨烯霍爾測量器件樣品,I-V測試表明樣品中石墨烯和金屬電極有良好歐姆接觸。
　　其次,研究了不同溶液環(huán)境對石墨烯狄拉克點和轉(zhuǎn)移特性的影響。通過液柵調(diào)控法測量了石墨烯器件在去離子水、氯化鈉和PEI溶液中的輸運特性,發(fā)現(xiàn)溶液環(huán)境可以大幅度調(diào)節(jié)石墨烯摻雜程度和類型。在氯化鈉溶液中石墨烯顯示P型摻雜特征,隨氯化鈉溶液濃度增加,石墨烯狄拉克點右移且轉(zhuǎn)移曲線

4、不對稱性增加,P型摻雜程度加深;在PEI溶液中,隨PEI溶液濃度增加,石墨烯狄拉克點左移且轉(zhuǎn)移曲線趨向?qū)ΨQ,P型摻雜程度逐漸減輕并接近N型。
　　再次研究了溶液環(huán)境下石墨烯的霍爾靈敏度和磁阻性質(zhì)研究。系統(tǒng)測量了不同溶液環(huán)境中石墨烯的霍爾響應(yīng)和磁阻變化。在去離子水和稀溶液中,石墨烯霍爾響應(yīng)與真空中接近,都可達200 VA-1T-1以上。在氯化鈉溶液中,隨濃度增加,摻雜和界面散射增強,霍爾響應(yīng)總體上逐漸降低;而在PEI溶液中,隨濃度增