一種調(diào)控和表征石墨烯帶隙的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種調(diào)控和表征石墨烯帶隙的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是一種新型二維平面結(jié)構(gòu)碳材料，自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異 的物理性能引起了學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。石墨烯具有高載流子迀移率、強(qiáng)導(dǎo)熱能力、零 質(zhì)量狄拉克-費(fèi)米子行為、異?；魻栃?yīng)等一系列物理特性，在納米光電子器件方面存在巨 大的應(yīng)用潛力。然而純石墨烯是一種零帶隙的半導(dǎo)體，故在保持石墨烯高迀移率的前提下， 將石墨烯廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，打開(kāi)其帶隙，使其變成具有一定帶隙大小的半導(dǎo)體顯得 尤為重要。目前，調(diào)控石墨烯帶隙的方法主要有光刻法、邊緣修飾、摻雜、引入外加電壓、氫 化石墨烯、在不同基體上外延生長(zhǎng)石墨烯等方法，其中化學(xué)摻雜是改變石墨烯半導(dǎo)體導(dǎo)電 性質(zhì)最常用的方法。
[0003] 光刻法利用石墨烯帶隙和樣品寬度之間的函數(shù)關(guān)系調(diào)控帶隙，但是，受光刻技術(shù) 的制約，要刻蝕得到更大寬度的石墨烯非常困難;邊緣修飾法通過(guò)在石墨烯邊緣帶引入不 同邊緣化學(xué)終端物來(lái)改變石墨烯的金屬特性，這種方法針對(duì)的是石墨烯帶;化學(xué)摻雜引入 的吸收心，在沒(méi)有雜質(zhì)原子取代碳原子的情形下實(shí)現(xiàn)了費(fèi)米能級(jí)的調(diào)控。吸收心與石墨烯 之間的電荷轉(zhuǎn)移可以在很大程度上調(diào)控費(fèi)米能級(jí)。通過(guò)在石墨烯中引入吸收心產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn) 移對(duì)費(fèi)米能級(jí)的影響比在石墨烯兩端加電壓和增加其傳導(dǎo)率對(duì)費(fèi)米能級(jí)的影響大幾個(gè)數(shù) 量級(jí)。
[0004] 石墨烯拉曼光譜的D峰、G峰和2D峰在不破壞石墨烯的前提下表征了石墨烯的結(jié)構(gòu) 和摻雜。D峰位于1355CHT1附近，是由K區(qū)邊界附近聲子呼吸振動(dòng)模式A lg振動(dòng)引起的，D峰是 離散的，隨著激發(fā)光子能量的變化而變化，在完美石墨烯樣品中是觀察不到這個(gè)振動(dòng)峰的， 只有當(dāng)樣品中出現(xiàn)缺陷時(shí)此峰才被激活。石墨烯2D拉曼峰是石墨烯布里淵區(qū)K點(diǎn)附近最高 光頻支中兩個(gè)相反動(dòng)量的光子產(chǎn)生的。2D拉曼峰頻率是散射光子頻率的兩倍，其形狀、線寬 和位置直接反映了石墨烯電子帶的結(jié)構(gòu)，而這些電子帶結(jié)構(gòu)又同石墨烯原子層數(shù)有關(guān)。G峰 位于1580CHT 1附近，是由于石墨烯電子帶布里淵區(qū)中心的雙重簡(jiǎn)并模E2g引起的，其表征了 電荷迀移的程度。
[0005] 石墨烯作為一種特殊的金屬材料，其費(fèi)米能級(jí)在吸收和移除電子的時(shí)候?qū)l(fā)生很 大的變化，這是與傳統(tǒng)金屬材料區(qū)別最大的一點(diǎn)。通過(guò)在石墨烯中引入吸收心產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn) 移對(duì)費(fèi)米能級(jí)的影響比在石墨烯兩端加電壓和增加其傳導(dǎo)率對(duì)費(fèi)米能級(jí)的影響大幾個(gè)數(shù) 量級(jí)，精確地控制石墨烯中電荷的轉(zhuǎn)移對(duì)石墨烯的應(yīng)用是至關(guān)重要的。對(duì)石墨烯進(jìn)行化學(xué) 摻雜將引入吸收心，吸收心引起的電荷轉(zhuǎn)移能夠改變費(fèi)米能級(jí)，這種方法在沒(méi)有引入任何 取代物質(zhì)的基礎(chǔ)上調(diào)控了石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，而且與費(fèi)米能級(jí)的調(diào)控和摻雜濃度有關(guān)，通 過(guò)控制摻雜濃度可以控制石墨烯的費(fèi)米能級(jí)。石墨烯費(fèi)米能級(jí)的移動(dòng)和G峰的位置成線性 關(guān)系，即通過(guò)石墨烯拉曼光譜的G峰峰值位置即可表征其費(fèi)米能級(jí)。因此，如果能夠提供一 種裝置，通過(guò)對(duì)石墨烯進(jìn)行溴蒸氣或碘蒸氣化學(xué)摻雜來(lái)調(diào)控石墨烯的帶隙，并且通過(guò)測(cè)量 摻雜石墨烯的拉曼光譜G峰峰值位置來(lái)表征石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，是本實(shí)用新型的任務(wù)所在。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種調(diào)控和表征石墨烯帶隙的裝置， 對(duì)石墨烯進(jìn)行溴蒸氣或碘蒸氣化學(xué)摻雜，石墨烯吸附溴離子和碘離子引入吸收心，吸收心 與石墨烯之間將發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，吸收心與石墨烯之間的電荷轉(zhuǎn)移影響其費(fèi)米能級(jí)，通過(guò)控 制摻雜溴蒸氣或碘蒸氣的體積來(lái)調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)利用G峰峰值位 置和石墨烯帶隙關(guān)系實(shí)時(shí)輸出石墨烯費(fèi)米能級(jí)，從而達(dá)到調(diào)控和表征石墨烯帶隙的目的。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種調(diào)控和表征石墨烯帶隙的裝 置，包括He-Ne激光器、第一全反鏡、第二全反鏡、第一分光鏡、第二分光鏡、透鏡、石墨稀、第 三全反鏡、濾光片、光譜儀、CCD(電荷耦合元件）、同步控制器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和路由器，所 述He-Ne激光器的光路上設(shè)有第一全反鏡，第一全反鏡的反射光路上設(shè)有第二全反鏡，第二 全反鏡的反射光路上設(shè)有第一分光鏡，第一分光鏡的分光光路上分別設(shè)有CCD和第二分光 鏡，第二分光鏡的分光光路上分別設(shè)有透鏡和第三全反鏡，透鏡與石墨稀樣品相連接，CCD 與路由器相連接，路由器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連接;所述第二分光鏡與第三全反鏡相連接， 第三全反鏡的反射光路上設(shè)有濾光片和光譜儀，光譜儀與路由器、同步控制器相連接;所述 同步控制器分別與CCD、He_Ne激光器、石墨稀樣品、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連接。
[0008] 所述石墨烯是放置在密封的透明玻璃空腔中的多層石墨烯，石墨烯是采用化學(xué)氣 化沉積法生長(zhǎng)在銅片上，然后機(jī)械轉(zhuǎn)移到CaF玻璃基體上的石墨烯。
[0009] 所述He-Ne激光器是發(fā)出波長(zhǎng)為632.8nm的He-Ne激光器，第一全反鏡和第二全反 鏡是對(duì)波長(zhǎng)為632.8nm的光全反射的全反鏡；所述第一分光鏡是對(duì)自右向左的波長(zhǎng)為 632.8nm的光全透、對(duì)自左向右的波長(zhǎng)為632.8nm的光全反的分光鏡;所述第二分光鏡是對(duì) 波長(zhǎng)為632.8nm的光全反、對(duì)其它波長(zhǎng)的光全透的分光鏡。
[0010] 所述CCD為光電探測(cè)器，CCD的像素為1280X1024。
[0011 ] 所述濾光片是對(duì)波長(zhǎng)高于632.8nm的光截止、對(duì)波長(zhǎng)低于632.8nm的光透過(guò)的濾光 片。
[0012] 所述光譜儀為測(cè)量波段包含633 ± 50nm的光譜儀。
[0013] 本實(shí)用新型具有以下有益的技術(shù)效果：
[0014] 1、本實(shí)用新型利用石墨烯物理吸附溴蒸氣或碘蒸氣引起吸收心，吸收心和石墨烯 之間將產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，從而引起石墨烯帶隙發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯帶隙的調(diào)控，此裝置能 夠快速調(diào)控石墨烯帶隙，并給出石墨烯帶隙具體值，為打開(kāi)石墨烯帶隙及其在半導(dǎo)體領(lǐng)域 的應(yīng)用提供了一種行之有效的裝置。
[0015] 2、本實(shí)用新型在線監(jiān)測(cè)石墨烯的拉曼光譜，并把測(cè)量結(jié)果反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 實(shí)時(shí)處理，利用石墨烯拉曼光譜G峰峰值位置表征石墨烯帶隙，根據(jù)處理的結(jié)果及用戶的實(shí) 際需要控制摻雜溴蒸氣和碘蒸氣的體積，大大提高了控制精度，而且操作方便、簡(jiǎn)單。
[0016] 3、本實(shí)用新型采用He-Ne激光作為石墨烯拉曼光譜的激發(fā)光，使溴或碘電子的激 發(fā)降到了最低，其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，并可根據(jù)處理的結(jié)果及用戶的實(shí)際需要控制摻雜溴蒸氣 和碘蒸氣的體積，為精確控制石墨烯的帶隙提供了可靠保障。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0018]圖2為多層石墨烯溴蒸氣摻雜前的拉曼光譜。
[0019]圖3是多層石墨烯220mL溴蒸氣摻雜后的拉曼光譜。
[0020] 圖4是多層石墨烯拉曼光譜G峰峰值位置與溴蒸氣摻雜的體積關(guān)系曲線。
[0021] 圖5是多層石墨烯拉曼光譜G峰和2D峰強(qiáng)度比（G/2D)與摻雜溴蒸氣的體積關(guān)系曲 線。
[0022]其中，1是He-Ne激光器，2是第一全反鏡，3是第二全反鏡，4是第一分光鏡，5是第二 分光鏡，6是透鏡，7是石墨烯，8是第三全反鏡，9是濾光片，10是光譜儀，11是CCD，12是同步 控制器，13是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，14是路由器。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖，并通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型所述裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但 它僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型的一些具體的實(shí)施方式，而不應(yīng)理解為對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的 任何限定。
[0024] 如圖1所示，一種調(diào)控和表征石墨烯帶隙的裝置，包括He-Ne激光器1、第一全反鏡 2、第二全反鏡3、第一分光鏡4、第二分光鏡5、透鏡6、石墨稀樣品7、第三全反鏡8、濾光片9、 光譜儀10、(XD11、同步控制器12、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13和路由器14。He-Ne激光器1的出射光路 上設(shè)有第一全反鏡2,第一全反鏡2的反射光路上設(shè)有第二全反鏡3,第二全反鏡3的反射光 路上設(shè)有第一分光鏡4,第一分光鏡4的分光光路上分別設(shè)有CCD11和第二分光鏡5,第二分 光鏡5的分光光路上分別設(shè)有透鏡6和第三全反鏡8,透鏡6與石墨烯樣品7相連接，CCD11與 路由器14相連接，路由器14與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13相連接。第二分光鏡5與第三全反鏡8相連 接，第三全反鏡8的反射光路上設(shè)有濾光片9和光譜儀10,光譜儀10分別與路由器14、同步控 制器12相連接。同步控制器12分別與CCDll、He-Ne激光器1、石墨烯樣品7、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 13相連接。
[0025]從He-Ne激光器1出射的激光脈沖經(jīng)第一全反鏡2反射后進(jìn)入第二全反鏡3,經(jīng)第二 全反鏡3反射后進(jìn)入第一分光鏡4，透過(guò)第一分光鏡4的光經(jīng)第二分光鏡5反射后，經(jīng)透鏡6聚 焦在放置在玻璃空腔中的石墨烯樣品7的表面，經(jīng)石墨烯樣品7表面反射的光經(jīng)第二分光鏡 5分光，一束經(jīng)第一分光鏡4反射進(jìn)入(XD11，(XD11實(shí)時(shí)記錄石墨烯樣品7表面的圖像，并將 記錄的圖像送給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13,用于觀察He-Ne激光是否聚焦在石墨烯表面。計(jì)算機(jī)控 制系統(tǒng)13根據(jù)CCD11送來(lái)的圖像判斷激光是否聚焦在石墨烯樣品7表面，如果沒(méi)有聚焦在表 面，則通過(guò)同步控制器12改變He-Ne激光器1發(fā)出He-Ne激光聚焦點(diǎn)位置，直至聚焦到石墨烯 樣品7的表面。經(jīng)第二分光鏡5分光的另一束反射光入射到第三全反鏡8,經(jīng)全反鏡8反射后， 通過(guò)濾光片9進(jìn)入光譜儀10,光譜儀10采集石墨烯拉曼光譜的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)路由器14 傳送給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13根據(jù)石墨烯拉曼光譜G峰峰值 位置和帶隙的函數(shù)關(guān)系計(jì)算石墨烯帶隙并顯示，同時(shí)根據(jù)用戶的實(shí)際需求通過(guò)同步控制器 12控制摻雜溴蒸氣或碘蒸氣的體積。
[0026]本實(shí)用新型對(duì)石墨烯進(jìn)行溴蒸氣或碘蒸氣化學(xué)摻雜，石墨烯吸附溴離子和碘離子 引入吸收心，吸收心與石墨烯之間將發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，吸收心與石墨烯之間的電荷轉(zhuǎn)移影響 其費(fèi)米能級(jí)，通過(guò)控制摻雜溴蒸氣或碘蒸氣的體積來(lái)調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，而石墨烯拉 曼光譜G峰峰值位置的移動(dòng)和帶隙成線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)量石墨烯拉曼光譜，即可表征石墨烯 帶隙。同步控制器12分別與He-Ne激光器1、石墨稀樣本7、光譜儀10、(XD11和計(jì)算機(jī)控制系 統(tǒng)13相連接，路由器14分別與光譜儀10