铜衬底对石墨烯物理性质的调控

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石墨烯是一种理想的二维材料,因为其电子具有独特的特性而引起广泛的研究兴趣。为了适用不同的器件应用需求,调控石墨烯的物理性质成为当今热门课题。由于石墨烯是单原子层,所以它的性质很容易受到衬底的影响。例如衬底会给石墨烯带来应变、电荷掺杂以及增强载流子散射等,从而影响石墨烯的电子结构、准粒子动力学、输运等性质。在众多衬底中,金属衬底尤其是铜衬底由于可以通过化学气相沉积法(CVD)生长大面积石墨烯而受到极大的关注。事实上,金属衬底与石墨烯的接触远不止在生长上,在器件制备和应用上也会不可避免接触。铜衬底CVD法不仅可以生长均匀、连续的单层石墨烯,还能合成厘米量级的单晶石墨烯。由于这种方法已经成为石墨烯制备的主流方法,所以探究铜衬底对石墨烯性质的调控具有深远意义。  本文主要包括以下几个部分:  1.石墨烯性质的主要表征手段:本研究主要使用扫描隧道显微镜(STM)和共焦显微拉曼光谱对石墨烯性质进行表征。通过STM和STS我们可以获取石墨烯晶格结构和电子能带结构信息。通过对石墨烯拉曼光谱特征峰的分析,例如G峰和2D峰的峰位,强度比I2D/IG等,可以获取石墨烯应变、电荷掺杂程度及层数的信息。另外我们还使用了包括原子力显微镜(AFM)、俄歇电子谱(AES)和低能电子衍射(LEED)在内的其他辅助表征手段。  2.石墨烯在铜衬底上的CVD生长和湿法转移:实验室自行搭建了石墨烯低压CVD生长体系,成功在铜片上生长了高质量的大面积均一的单层石墨烯。由于金属衬底限制了石墨烯电学测量,我们利用衬底化学腐蚀法将石墨烯转移到铜网和300nmSiO2/Si衬底上,并表征了这些衬底上石墨烯的性质。  3.氧化的铜衬底(Cu2O)对石墨烯性质的调控:覆盖石墨烯的铜衬底的氧化过程起始于包括边界在内的石墨烯的缺陷位置,然后逐步向周围扩散,形成Cu2O薄层。铜表面的氧化使得衬底产生折皱与起伏,从而导致石墨烯轻微的张应变。衬底的氧化使得石墨烯显示本征的电子结构,几乎不受到衬底的电荷掺杂。Cu2O很大程度上调控了石墨烯的光耦合效率,导致石墨烯的拉曼信号大大增强。  4.铜的高指数面(Cu(410)-O)对石墨烯性质的调控:我们首次成功制备了大面积单层石墨烯/Cu(410)-O样品。石墨烯在高指数面Cu(410)-O上形成两种一维超晶格结构:一种直接“复制”衬底Cu(410)-O晶面的超周期结构;一种为晶格失配及层间旋转形成的摩尔条纹。准一维超晶格结构可以调控石墨烯的能带结构,STS结果显示超晶格布里渊区的边界形成新的狄拉克点。
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