石墨烯晶界輸運性質研究取得系列進展

　　以石墨烯為代表的二維原子晶體材料的準粒子（如激子、狄拉克費米子等）由于量子限域效應，顯示出室溫量子霍爾效應等新奇量子特性，也促進了相關新型電子、光電子器件的應用等相關研究。獲得本征的電學輸運特性、光電特性等物理性質乃至最終的器件應用的關鍵在于大面積、高質量樣品的生長。近年來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）高鴻鈞院士研究組在二維原子晶體材料的可控制備、物性調控及原型器件特性研究等方面取得了一系列研究成果。早在2007年，他們就首次通過外延的方法在金屬釕單晶表面獲得了厘米量級大小、幾乎無缺陷的大面積高質量單層石墨烯。2012年又成功將半導體硅材料插入石墨烯與金屬基底之間，形成石墨烯/硅/金屬結構，實現了石墨烯在電子集成器件應用上與硅基技術的結合。2015年，他們提出并證實了“硅原子誘導產生缺陷-原子穿過-缺陷自修復”的插層機制，揭示了硅原子、石墨烯、基底三者之間的協同作用【J. Am. Chem. Soc. 137,7099 (2015)】。同時，他們還在室溫下實現了Ru(0001)上外延石墨烯的低勢壘硼替換摻雜，為實現石墨烯的空穴摻雜提供了有價值的參考【Nano Lett. 15, 6464 (2015)】。這一系列結果對于石墨烯電子學具有重要意義。

　　目前國際上普遍采用的另一種石墨烯的合成方法是利用化學氣相沉積（CVD）的辦法在銅箔上合成毫米甚至厘米量級的石墨烯，然而，利用 CVD 方法所合成的石墨烯通常具有多晶特性。這些多晶石墨烯單疇之間的晶界在微觀結構上由一些扭曲的六元環以及非六元環（五元環、七元環和八元環）組成，石墨烯的載流子在通過這些缺陷時會引入額外的散射，從而造成電導率、遷移率的降低，制約了石墨烯在電子電路領域的應用。一般來說，人們通常采用兩種辦法來表征石墨烯晶界的輸運特性，一種是利用微加工手段制作霍爾電極，另一種是基于掃描探針顯微鏡的方法。前者會對石墨烯表面引入污染，進而影響石墨烯的本征性質。后者則需要耗費大量時間對石墨烯晶界進行定位，例如掃描隧道電位儀（STP）和開爾文原子力顯微鏡（KPFM）等。因此如何快速無損地實現對石墨烯晶疇和晶界本征電學輸運性質的測量，具有極大的挑戰性。

　　為有效地開展低維結構的本征電輸運特性研究，該研究組全面徹底地改造了一臺商業化四探針掃描隧道顯微鏡（STM）系統，顯著改善了該系統信噪比、機械和溫度穩定性、成像分辨率以及降溫等性能【Rev. Sci. Instrum., 88 (6) 063704, 2017】。利用徹底改造后的四探針系統，他們對轉移到SiO2/Si襯底上的單晶石墨烯進行輸運測試，首次報道了利用van der Pauw方法來獲得石墨烯單晶載流子遷移率【Chin. Phys. B, 26 (6) 066801, 2017】。最近，該研究組博士生馬瑞松、副研究員鮑麗宏等利用上述四探針STM對石墨烯晶界電阻率與遷移率等輸運特性展開了系統深入的研究。

　　研究發現，通過CVD方法在銅箔上所生長的石墨烯尺寸可達毫米量級，其中包括具有六邊外形的單晶石墨烯、雙晶石墨烯以及多晶石墨烯。大量STM的表征證實了石墨烯單晶疇區的連續性與高質量。該研究工作主要集中在轉移到SiO2/Si襯底上的雙晶石墨烯，從而保證所研究石墨烯晶界的唯一性。拉曼測量表明，該雙晶石墨烯的單層特性以及低缺陷性質。研究人員利用四探針法獲得了石墨烯晶界電阻率。首先，他們利用柵極與探針之間的電容作為進針反饋信號，將四個STM探針作為點接觸電極，無損地測量雙晶石墨烯兩側晶疇以及跨晶界的二維電阻。為了提取石墨烯晶界的電阻率，他們建立了晶界擴展模型，即將石墨烯晶界等同于具有一定寬度λ的單晶疇區，得到了雙晶石墨烯兩側晶疇內部與跨晶界（GB-1）的二維電阻隨載流子濃度變化曲線。根據該擴展模型，他們能夠很好地擬合出不同載流子濃度下石墨烯晶界處的電阻率。另外，他們還將該方法應用于石墨烯褶皺的輸運測試，獲得了褶皺處的電阻率。進一步根據不同載流子濃度下的電阻率，利用Drude輸運模型，可以提取石墨烯晶界或褶皺處的載流子遷移率。結果表明，石墨烯晶界處遷移率要比本征石墨烯低三到四個數量級，而褶皺處的遷移率約為本征石墨烯處的1/6至1/5。