石墨烯纳米带的制备和研究

1、物理学报Acta Phys Sin Vol 60，No 10 ( 2011) 107302,机械剥离法制备石墨烯纳米带 及其低温电输运性质研究,中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室，北京,姓名： 蔡礼新 学号：136061201 导师： 康诗钊,摘 要 用机械剥离法制备了数 10m 长的石墨烯纳米带，并在 0.3K 的低温下对其电输运性质进行了测量研究，看到了法布里-珀罗干涉现象。实验结果表明，机械剥离法得到的石墨烯纳米带具有很高的质量，使得其中的电子在低温下能够形成一个很好的一维体系,石墨烯纳米带 是在二维石墨烯材料的基础上，经过一定的微纳加工工艺或者化学工艺，沿一定方向裁剪成带状结

2、构，即Graphene Nanoribbon，简称为GNR。按照纳米带边缘的形状，把沿石墨烯的不同主轴方向的石墨烯纳米带分为Armchair Graphene Nanoribbon ( AGNR ) 和Zigzag Grapheme Nanoribbon( ZGNR),选材：SPI 公司的HOPG( 高定向热解石墨，等级: 一级)。优点：大片的单层石墨烯比较难以找到，但石墨烯碎片有很大的概率形成一簇簇沿一定方向平行排列的石墨带状构。 因此 HOPG 是机械剥离法制备 GNR 的合适材料。,在扫描电子显微镜 (SEM) 下对这些带状石墨分布区域进行扫描 在这些石墨带区域中，通常可以发现光学显微镜

3、下看不见的、宽度在几十nm、长度在十几m 甚至几十m 的GNR。 这些GNR 的边缘光滑，宽度在测量精度内严格保持不变，且具有明显的取向性，如图2( a) ，( b) 所示。而且，在很多GNR 之间会形成一些特殊的角度，例如90，120，150如图2( c) 所示。 这表明GNR 的解理是沿石墨烯主轴方向进行的，这就有利于利用机械剥离法来制备 GNR。,SEM 下的GNR ( a) 石墨烯纳米带呈“一簇簇”的带状分布; ( b) 单根GNR，宽度为75 nm; ( c) 呈特殊角度( 120) 的GNR,机械剥离法 采用粘胶带的方式，胶带采用特殊的3M思高牌胶带。使用镊子夹取16 cm长的思高

4、牌胶带贴附在高定向热解石墨片表面，轻轻压实，使胶带和石墨片紧紧贴附，慢慢撕下。胶带表面会粘附有很薄的一层石墨薄片，然后把胶带的两端对折，使石墨薄片夹在胶带具有粘性一侧的中间，轻轻的压实，慢慢撕下，平稳的将石墨薄片一分为二。完美的剥离，剥离的石墨薄片表面如原子般平滑，复制出的石墨薄片是发亮的。重复3到l0次剥离，直到胶带上出现颜色如墨水斑点一样的石墨薄片。小心的将附有石墨薄片的胶带贴附在氧化的硅片上，轻轻挤压掉胶带和硅片之间的空气，使样品和胶带完全贴附，保持l0 min，慢慢从硅片表面撕下胶带。这时数千小片石墨都粘到了硅片上，而其中部分样品就是少层、甚至单层的石墨烯。,制作高质量石墨烯最简单的办

5、法是从石墨上机械剥离石墨烯层。与其他方法相比，机械剥离法是最简单的方法，对实验室条件的要求非常简单，并且容易获得高质量的石墨烯。,(a) ，(b) 分别是 GNR 在 AFM 下的高度图和形貌图，此 GNR 大约 2nm 厚，层数大约为23 层，形貌图显示其边缘极其光滑；(c) GNR 的 SEM 照片，宽度大约 80nm，有效长度约为 15m；(d) GNR 做成器件后核心电极区的光学照片，GNR 上通过电子束曝光和电子束蒸发镀膜工艺，做上厚度大约为 50nm 的 Pd 电极，接触电极之间有效间隔约为1.0 m,低温电输送性质研究 用标准的微纳加工流程把这一 GNR 做成了器件。在 GNR

6、器件上除了有直接接触 GNR 的 Pd 电极之外( 电极间距约 1m),还有边门电极，这是给 GNR 加横向电场用的。 在 0.3K 的温度下选择中间两个相邻电极，用锁相放大器技术对电导 G 进行标准的两端法交流测量。图4(a)是电导 G 相对于边门电压Vg和源漏偏压Vb的二维图，发现 GNR 的两个电极之间的电子波发生了法布里-珀罗干涉。,（a) GNR 中 G 随 Vg 和 Vb 变化的二维图，白线为法布里-珀罗电导振荡周期的示意图（测量温度为 0.3K ）； （b） GNR 中法布里-珀罗干涉电子波谐振腔的示意图。电子波在源漏电极 S 与 D 之间与 GNR 接触的界面之间多次反射，形成法布里-珀罗干涉,结论： 电学的法布里-珀罗干涉通常只发生在一维共振腔里。 本实验的测量结果说明我们机械剥离得到的 GNR 宽度很窄，几何形状非常理想，且非常纯净，使得其中的电子形成了一个很好的一维体系。 因此，它可以用来制造纳米电子器件，如单电子晶体管、高频转换晶体管，这可以加快计算机的微型化步骤，提高其运算速度。,启发和思考,1. 广泛阅读。做研究需要广泛的阅读相关方面的文献资料，有着深厚的知识积累。就像每个文献后的参考文献一样，在借鉴他人经验和成果为我