编号：NMJS09656
篇名： 石墨烯/氮化镓异质结界面势垒的测量与调控
作者： 孟雨
关键词： 石墨烯/氮化镓异质结; 六方氮化硼; 界面势垒; 界面转移电荷量; 调控;
机构：赣南医科大学
摘要： 目的: 随着电子和光电器件向微型化、集成化和功能化的方向发展,石墨烯/氮化镓异质结因其独特的物理性质在这些功能器件中有较大的应用前景。该异质结的势垒高度、转移电荷量等接触界面物理性质的测量和调控,对功能化器件的设计和优化显得尤为重要。基于对传统金属/半导体和现有石墨烯/半导体的理论,本课题中提出比较全面理论分析。基于理论分析,研究石墨烯/氮化镓异质结的势垒高度、转移电荷量等接触界面物理性质的测量和调控。石墨烯/氮化镓异质结的势垒高度等接触物理性质不仅受费米能级的影响,还受石墨烯与氮化镓二者之间的界面间距、外界刺激等因素的影响。界面势垒高度等界面物理性质的形成与调控受到多种因素共同作用。准确测量异质结的界面势垒及其他接触物理性质,并对其实现可控调制,是深入研究石墨烯/氮化镓异质结性能的关键。本研究旨在通过界面工程手段调控石墨烯/氮化镓异质结的界面势垒,以优化其器件性能,并拓宽其在电子器件中的应用前景。尤其在医学影像设备领域,该研究可为性能稳定、灵敏度高的影像设备探测器等高精度医疗设备开发提供支持。 方法: 本研究采用干法转移和化学气相沉积转移两种方法制备了异质结样品。利用开尔文探针显微镜测量干法转移制备的异质结表面电势,并结合能带和相关公式,分别计算界面势垒、内建电场、界面电荷转移等接触界面物理性质。利用探针台测量化学气相沉积转移制备的异质结I/V曲线,并选取合适的热电子发射模型拟合,利用相关公式计算界面势垒、界面电荷转移等界面物理性质。明确石墨烯/氮化镓异质结的界面性质,探索界面势垒等接触界面物理性质的调控方法。 通过引入不同层数的六方氮化硼调节石墨烯与氮化镓之间的界面间距,利用开尔文探针显微镜和探针台进行分析,界面间距的调控对势垒高度、界面电荷转移等界面物理性质的影响。 通过光刺激石墨烯/氮化镓异质结,利用探针台分析不同波段光对界面势垒、内建电场、界面电荷转移等接触物理性质的影响。界面间距和光激发共同作用对该异质结界面行为的影响。 结果: （1）实验结果与本课题建立的理论模型相互验证,表明该模型适用于本课题。 （2）对于石墨烯/氮化镓异质结界面势垒测量,基于开尔文探针显微镜测量的界面势垒为0.531±0.003 V,界面转移电荷密度为1.173×10-6C/cm2。探针台测量的界面势垒为0.556 V,界面转移电荷密度为5.129×10-8C/cm2。 （3）在石墨烯/氮化镓异质结插入1-5层h-BN调控界面间距。利用开尔文探针显微镜测量势垒高度从0.531 V增加到0.784 V,界面转移电荷密度从7.936×10-7C/cm2减少到6.071×10-7C/cm2。探针台测量势垒高度从0.556 V增加到0.778 V,界面转移电荷密度从1.813×10-6C/cm2减少到1.207×10-6C/cm2,六方氮化硼层数与界面势垒高度变化成正相关。 （4）通过光刺激石墨烯/氮化镓异质结,利用探针台测量界面势垒和界面转移电荷等物理性质的变化。相比于无光条件下,界面势垒从0.556 V降低到0.371V,界面转移电荷密度从1.911×10-6C/cm2增加到2.497×10-6C/cm2。 （5）通过引入特定层数的六方氮化硼并施加不同波段光刺激,利用探针台测量界面势垒、界面转移电荷密度等界面物理性质的变化。相比于无光条件下,界面势垒从0.587 V降低到0.433 V,界面转移电荷密度从1.813×10-6C/cm2增加到2.301×10-6C/cm2。通过特定波长光与不同层数六方氮化硼共同作用对该异质结界面行为的影响。在325 nm波段下,界面势垒从0.371 V增加到0.535 V,界面电荷转移密度从2.497×10-6C/cm2减少到1.977×10-6C/cm2。 结论: （1）石墨烯与氮化镓二者接触时,界面电荷转移使石墨烯费米能级上下浮动,表现出石墨烯费米能级的自适应性。电子从氮化镓向石墨烯转移,形成界面势垒、内建电场和耗尽区。 （2）六方氮化硼的引入可有效增大界面势垒高度,降低界面电荷转移。并增大氮化镓侧能带弯曲,使内建电场和耗尽区宽度增大。 （3）不同波长光刺激石墨烯/氮化镓异质结,界面电荷转移增加,石墨烯费米能级移动量增大,石墨烯与氮化镓侧的界面电势差减小,使界面势垒降低。n-GaN侧能带弯曲度减小,内建电势和耗尽层宽度减小。 （4）在不同波长光激发下,引入特定层数硼氮到石墨烯/氮化镓异质结。光激发占主导作用,促进界面电荷转移,降低界面势垒。在特定波长光激发下,引入不同层数硼氮到该异质结,h-BN发挥主导作用,抑制界面电荷转移,增大界面势垒。