孟靖華++楊麗清++陳俐++左歡歡

[摘 要]由于其單原子層特性，石墨烯很容易吸附空氣中的水和氧氣，使其性能降低。本文從實驗的角度出發(fā)，研究了石墨烯經(jīng)過無水乙醇和顯影液清洗以后，其摻雜特性的變化情況。根據(jù)石墨烯晶體管電學性能的變化，發(fā)現(xiàn)無水乙醇清洗石墨烯可以使其P型雜質(zhì)減少，使石墨烯晶體管的遷移率提高。本文分析了這些實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。以上發(fā)現(xiàn)對石墨烯的清洗、可靠性的提高有重要的參考價值。

[關(guān)鍵詞]石墨烯；表面雜質(zhì)；無水乙醇

中圖分類號：TQ202，TB304 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）31-0008-01

引言

石墨烯是碳六邊形蜂巢狀結(jié)構(gòu)的單原子層材料。2004年發(fā)明以來，由于其優(yōu)異的物理和化學性能，引起了許多科學家們的關(guān)注[1]。但是由于其單原子層特性，具有超高表面比，當吸附空氣中的雜質(zhì)時，使其性能會發(fā)生變化[2]。比如，當石墨烯暴露在空氣中吸附氧氣和水時，會顯示P摻雜特性，導致其性能下降，影響其應用。許多人們致力于減少石墨表面的P型雜質(zhì)，使石墨烯顯示出更加優(yōu)良的性能[3]。根據(jù)前人的報道[2]，石墨烯變?yōu)镻型摻雜是因為吸附了空氣中的水和氧氣，如果只有干燥的氧氣是不會變成P摻雜的。我們考慮到水和乙醇互溶，就采用的無水乙醇清洗的方法，有效地減少了石墨烯表面的P型雜質(zhì)，減少了載流子輸運過程中的散射，提高了石墨烯的遷移率。

1 實驗過程

單層石墨烯用CVD的方法生長在25微米厚的銅箔上。生長過程如下。首先把銅箔分別用20%的稀鹽酸和去離子水清洗后吹干放入CVD系統(tǒng)。抽真空以后，通入流量為30sccm的氫氣， 升溫至1000攝氏度。保持該溫度，將銅箔退火20分鐘后通50sccm的CH4， 保持20分鐘，石墨烯生長完成。最后冷卻至室溫，取出樣品。生長完以后，把其轉(zhuǎn)移到表面有300nm厚二氧化硅的硅襯底上（硅的電阻率小于0.05Ω？cm）。轉(zhuǎn)移過程如下：在石墨烯/銅箔上面旋凃甲基丙烯酸甲酯（PMMA），然后把石墨烯/銅箔放置在重量濃度為10 %的Fe（NO3）3溶液中浸泡5小時以上，銅箔被溶解掉。把PMMA支撐的石墨烯用水洗幾次，然后轉(zhuǎn)移到襯底上面。最后用丙酮溶解掉石墨烯上面的PMMA。轉(zhuǎn)移工作完成。用氧等離子體把石墨烯圖形化，在上面生長金屬，剝離形成電極，石墨烯晶體管制備完成。圖1為石墨烯材料和晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。

2 結(jié)果和討論

實驗完成以后，我們對石墨烯晶體管的電學性能進行第一次測試。然后將器件在無水乙醇中放置5分鐘，取出來用壓縮空氣吹干。進行第二次測試。兩次測試的結(jié)果在圖2中。圖2.A和B分別為無水乙醇清洗前后的轉(zhuǎn)移特性和跨導曲線。從圖中可以看到經(jīng)過無水乙醇清洗以后，晶體管的狄拉克點電壓明顯減小。最大絕對值跨導明顯增加。狄拉克點電壓的減小，表明石墨烯的P型雜質(zhì)減少。根據(jù)報道[2]，暴露在空氣中的石墨烯顯示P摻雜特性，是吸附了空氣中的水和氧氣的原因。所以我們認為P型雜質(zhì)減少，是由于在石墨烯的無水乙醇清洗過程中，表面的水和氧明顯減少。圖2.B顯示無水乙醇清洗過后，石墨烯晶體管的最大絕對值跨導增加了8.1μS，這個現(xiàn)象表明石墨烯的遷移率增加了。遷移率增加表明載流子傳輸速度增快，散射減少。

根據(jù)以上實驗結(jié)果，我們對其進行分析。由于乙醇溶于水，當乙醇的體積遠遠大于水時，水會溶于乙醇。所以，我們認為石墨烯表面的水溶解于乙醇中，當器件從無水乙醇中取出來時，其表面基本附著物為乙醇。在壓縮空氣吹的過程中揮發(fā)掉以后，石墨烯表面明顯干凈與清洗以前。由于石墨烯表面雜質(zhì)減少，載流子輸運過程中的散射也會減少，遷移率就會增加。以上分析過程見圖3。

3 結(jié)論

本文研究了無水乙醇清洗石墨烯前后，其晶體管性能的變化。發(fā)現(xiàn)用無水乙醇清洗以后，狄拉克點電壓減小，跨導增加。此實驗結(jié)果表明，通過清洗，可以輕易減少石墨烯表面的P型雜質(zhì)，提高其遷移率。此結(jié)果有利于石墨烯放置于空氣中性能退化以后的恢復，提高石墨烯在應用中的可靠性，可以作為清洗石墨烯的一種常用方法。

致謝

本文由重慶市教委科學技術(shù)研究項目資助。批準號為KJ1502201。

參考文獻

[1] 徐秀娟，秦金貴，李振.石墨烯研究進展[J].化學進展，2009，35（12）：2559-2567.

[2] 張蕓秋，梁勇明，周建新.石墨烯摻雜的研究進展[J].化學學報，2014，72（3）：367-377.

[3] 杜聲玖，石墨烯吸附結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的第一性原理研究.重慶大學[D].2012.endprint