物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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锯齿形石墨烯反点网络加工与输运性质研究
张婷婷, 成蒙, 杨蓉, 张广宇
物理学报. 2017, 66 (21): 216103
石墨烯纳米结构的制备及带隙调控研究
张慧珍, 李金涛, 吕文刚, 杨海方, 唐成春, 顾长志, 李俊杰
物理学报. 2017, 66 (21): 217301
基于六角氮化硼二维薄膜的忆阻器
吴全潭, 时拓, 赵晓龙, 张续猛, 伍法才, 曹荣荣, 龙世兵, 吕杭炳, 刘琦, 刘明
物理学报. 2017, 66 (21): 217304
物理学报  
   物理学报--2017, 66 (21)   发布日期: 2017-11-05
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编者按:
       碳是一种神奇的元素。除了大家熟知的钻石, 还可以呈现从零维(富勒烯)、一维(碳纳米管)到二维(石墨烯)的稳定结构。这些结构的核心是二维单层石墨片结构,对其基本电子态结构的理论可以追溯到20世纪40年代(Wallace P R 1947 Phys. Rev. 71 622)。单层石墨片或石墨烯的应用也至少可以追溯到20世纪70年代。单层石墨片作为电镜样品的完美支撑膜,对20世纪七八十年代高分子电子显微成像技术的发展也做出过巨大贡献。但单层石墨片被单独作为一种材料,并开始广泛影响物理学、化学等学科随后十余年的发展则始于21世纪初,两位俄裔英国学者Andre Geim 和Konstantin Novoselov于2004年成功将单层石墨片分离到绝缘基底,并对其输运性质进行了系统的测试,特别是在室温观察到量子霍尔效应,一举获得了2010年的诺贝尔物理奖。近十年,石墨烯研究已成为发展势头最为迅猛的领域,2012年以石墨烯为主题的论文发表数量首次超过一万篇,2016年已达39373篇。在这迅猛发展的研究之后,是对石墨烯及相关材料在未来信息技术中所能起作用的巨大期盼。然而,本征的石墨烯材料没有能隙,并不适合数字电路应用。二维石墨烯类材料,例如半导体过渡金属硫化物等应运而生,相关材料和器件研究也快速发展成为热点研究领域。此外,虽然摩尔定律发展已经接近其尽头,但是硅基信息处理技术仍牢牢处于信息产业的霸主地位,结合硅基技术发展石墨烯类材料及其器件也顺理成章地成为了未来该领域研究的主流和本专题的主题。
        专题收录了国内高校和研究院所相关研究人员的共19篇研究论文和综述,涉及到从石墨烯类材料的(1)生长: 金属衬底上高质量大面积石墨烯的插层及其机制(郭辉、路红亮、黄立、王雪艳、林晓、王业亮、杜世萱、高鸿钧);介电层表面直接生长石墨烯的研究进展(杨慧慧、高峰、戴明金、胡平安);双层石墨烯的化学气相沉积法制备及其光电器件(杨云畅、武斌、刘云圻);(2)结构表征、加工与性能调控:锯齿形石墨烯反点网络加工与输运性质研究(张婷婷、成蒙、杨蓉、张广宇);石墨烯纳米结构的制备及带隙调控研究(张慧珍、李金涛、吕文刚、杨海方、唐成春、顾长志、李俊杰);二维原子晶体的低电压扫描透射电子显微学研究(黎栋栋、周武);硼烯和碱土金属硼化物二维纳米材料的制备、结构、物性及应用研究(郭泽堃、田颜、甘海波、黎子娟、张彤、许宁生、陈军、陈焕君、邓少芝、刘飞);石墨烯纳米带的制备与电学特性调控(张辉、蔡晓明、郝振亮、阮子林、卢建臣、蔡金明);(3)输运:多端口石墨烯系统中的非局域电阻(王孜博、江华、谢心澄); 到(4)类石墨烯:类石墨烯锗烯研究进展(秦志辉);硅烯的化学功能化(杨硕、程鹏、陈岚、吴克辉);(5)器件:基于双极性二维晶体的新型p-n结(张增星、李东);基于六角氮化硼二维薄膜的忆阻器(吴全潭、时拓、赵晓龙、张续猛、伍法才、曹荣荣、龙世兵、吕杭炳、刘琦、刘明);基于毫米级单晶石墨烯的倍频器性能研究(高庆国、田猛串、李思超、李学飞、吴燕庆);硅基底石墨烯器件的现状及发展趋势(武佩、胡潇、张健、孙连峰);石墨烯射频器件研究进展(卢琪、吕宏鸣、伍晓明、吴华强、钱鹤);二维半导体过渡金属硫化物的逻辑集成器件(李卫胜、周健、王瀚宸、汪树贤、于志浩、黎松林、施毅、王欣然);和(6)硅基混合系统:石墨烯-硅基混合光子集成电路(肖廷辉、于洋、李志远);高性能石墨烯霍尔传感器(黄乐、张志勇、彭练矛)。专题覆盖了石墨烯类材料及其器件所涉及的几乎所有方面,是本领域不可多得的珍贵参考资料。相信专题的发表能够进一步促进这个重要的研究领域的发展,促生相关产业的诞生。

   (客座编辑: 中国科学院物理研究所 高鸿钧;北京大学 彭练矛;中国科学院物理研究所 顾长志)

专题:与硅技术融合的石墨烯类材料及其器件研究

锯齿形石墨烯反点网络加工与输运性质研究 Hot!
Fabrication of zigzag-edged graphene antidot lattice and its transport properties

张婷婷, 成蒙, 杨蓉, 张广宇
物理学报. 2017, 66 (21): 216103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.216103
全文: [PDF 601 KB] 下载:(186)
摘要

具有特定边界的石墨烯纳米结构在纳电子学、自旋电子学等研究领域表现出良好的应用前景.然而石墨烯加工成纳米结构时,无序的边界不可避免地会降低其载流子迁移率.氢等离子体各向异性刻蚀技术是加工具备完美边界石墨烯微纳结构的一项关键技术,刻蚀后的石墨烯呈现出规则的近原子级平整的锯齿形边界.本文研究了氮化硼上锯齿形边界石墨烯反点网络的磁输运性质,低磁场下可以观测到载流子围绕着一个空位缺陷运动时的公度振荡磁阻峰.随着磁场的增大,朗道能级简并度逐渐增大,载流子的磁输运行为从Shubnikov-de Haas振荡逐渐向量子霍尔效应转变.在零磁场附近可以观测到反点网络周期性空位缺陷的边界散射所导致的弱局域效应.研究结果表明,在氮化硼衬底上利用氢等离子体刻蚀技术加工锯齿形边界石墨烯反点网络,其样品质量会明显提高,这种简单易行的方法为后续高质量石墨烯反点网络的输运研究提供了新思路.

类石墨烯锗烯研究进展
Recent progress of graphene-like germanene

秦志辉
物理学报. 2017, 66 (21): 216802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.216802
全文: [PDF 738 KB] 下载:(138)
摘要

近年来,伴随石墨烯研究的深入开展,考虑到兼容半导体工业,构筑类石墨烯锗烯并探究其奇特电学性质已成为凝聚态物理领域的研究前沿.本文首先简要介绍了锗烯这一全新二维体系的理论研究进展,包括锗烯的几何结构、电子结构及其调控以及它们之间的关系.理论研究表明,因最近邻原子间距大,锗烯比硅烯更难构筑,实验上构筑锗烯颇具挑战性.针对这一问题,介绍了实验上制备锗烯的一些进展,重点介绍了金属表面外延制备锗烯,并对本征锗烯的制备及其在未来纳电子学器件的潜在应用做出了展望.

金属衬底上高质量大面积石墨烯的插层及其机制
Intercalation and its mechanism of high quality large area graphene on metal substrate

郭辉, 路红亮, 黄立, 王雪艳, 林晓, 王业亮, 杜世萱, 高鸿钧
物理学报. 2017, 66 (21): 216803      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.216803
全文: [PDF 1732 KB] 下载:(87)
摘要

石墨烯作为一种新型二维材料,因其优异的性质,在科学和应用领域具有非常重要的意义.而其超高的载流子迁移率、室温量子霍尔效应等,使其在信息器件领域备受关注.如何获得高质量并且与当代硅基工艺兼容的石墨烯功能器件,是未来将石墨烯应用于电子学领域的关键.近年来,研究人员发展了一种在外延石墨烯和金属衬底之间实现硅插层的技术,将金属表面外延石墨烯高质量、大面积的特点与当代硅基工艺结合起来,实现了无需转移且无损地将高质量石墨烯置于半导体之上.通过系统的实验研究并结合理论计算,揭示了插层过程包含四个主要阶段:诱导产生缺陷、异质原子插层、石墨烯自我修复和异质原子扩散成膜,并证实了这一插层机制的普适性.拉曼和角分辨光电子能谱实验结果表明,插层后的石墨烯恢复了本征特性,接近自由状态.此外,还实现了多种单质元素的插层.不同种类的原子形成不同的插层结构,从而构成了多种石墨烯/插层异质结.这为调控石墨烯的性质提供了实验基础,也展现了该插层技术的普适性.

介电层表面直接生长石墨烯的研究进展
Research progress of direct synthesis of graphene on dielectric layer

杨慧慧, 高峰, 戴明金, 胡平安
物理学报. 2017, 66 (21): 216804      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.216804
全文: [PDF 2218 KB] 下载:(64)
摘要

作为21世纪备受瞩目的材料,石墨烯兼具优异的电、热、光与力学性质,具有十分广阔的研究价值与应用价值.目前主要通过在金属基底上生长获得石墨烯,并将其转移至目标介电层基底上以构筑电子器件.转移过程不可避免地引入了褶皱、裂纹、破损以及聚合物/金属残留,严重损害了石墨烯的性能.因而直接在介电基底上制备高质量的石墨烯薄膜具有重要意义.本文总结了近年来在介电衬底上直接生长石墨烯的研究进展:阐述了金属辅助法、等离子体增强法以及热力学或动力学调控法等多种生长手段;介绍了多种介电/绝缘基底包括SiO2/Si,Al2O3,SrTiO3,h-BN,SiC,Si3N4以及玻璃表面生长石墨烯的特点与性能,分析了其可能的生长机理.根据拉曼谱图、薄层电阻、透光率、载流子迁移率等评估指标,将多种方法得到的石墨烯质量进行了总结与比较,并提出了直接在介电衬底上生成石墨烯的研究难点与趋势.

硅烯的化学功能化
Chemical functionalization of silicene

杨硕, 程鹏, 陈岚, 吴克辉
物理学报. 2017, 66 (21): 216805      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.216805
全文: [PDF 1080 KB] 下载:(64)
摘要

硅烯是一种零能隙的狄拉克费米子材料,对其能带结构的有效调控进而打开带隙是硅烯进一步器件化的基础.而化学功能化是调控二维材料的结构和电子性质的一种有效方法.本文简要介绍了近几年在硅烯的化学功能化方面取得的进展,主要包括硅烯的氢化、氧化、氯化以及其他几种可能的化学修饰方法.

多端口石墨烯系统中的非局域电阻
Nonlocal resistance in multi-terminal graphene system

王孜博, 江华, 谢心澄
物理学报. 2017, 66 (21): 217201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.217201
全文: [PDF 877 KB] 下载:(38)
摘要

非局域测量方法由于其能够间接探测某些难以直接俘获的非平庸物理机理,近年来已逐渐成为凝聚态物理的研究热点之一.最近的实验在H形多端口石墨烯样品中发现了巨大的非局域电阻信号.在排除了经典欧姆、边缘态等可能的输运形式后,人们倾向于认为这类非局域电阻是由多端石墨烯系统中存在的自旋霍尔效益或谷霍尔效应所导致.借助于非平衡格林函数输运计算,目前的理论可以在同样的多端石墨烯体系中得到部分与实验符合较好的数值模拟结果.针对实验中发现的某些难以理解的、甚至与经典理论相矛盾的非局域电阻性质,例如非局域电阻相比局域电阻在偏离电中性点时的迅速衰减、出现在能隙中的非局域电阻峰值等,目前的理论研究取得了一定的进展,但对这些奇异现象的理解仍存在较大的争议.本综述详细回顾了多端口石墨烯体系中非局域电阻的相关实验,并针对性地介绍与之配套的理论进展及对未来研究的展望.

石墨烯纳米结构的制备及带隙调控研究 Hot!
Fabrication of graphene nanostructure and bandgap tuning

张慧珍, 李金涛, 吕文刚, 杨海方, 唐成春, 顾长志, 李俊杰
物理学报. 2017, 66 (21): 217301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.217301
全文: [PDF 684 KB] 下载:(91)
摘要

石墨烯在未来微电子学领域有极大的应用前景,但是其零带隙的特点阻碍了石墨烯在半导体领域的应用.研究发现,打开室温下可用的石墨烯带隙所需要的石墨烯纳米结构尺度在10 nm以下,这一尺度的纳米结构一方面制备比较困难,另一方面器件可承载的驱动电流较小.因此,如何实现亚10 nm石墨烯纳米结构的有效加工以及如何在有效调控带隙的基础上增大石墨烯器件可承载的驱动电流,还需要进一步的研究.本文首先研究了利用聚甲基丙烯酸甲酯/铬(PMMA/Cr)双层结构工艺,通过刻蚀时间的控制,利用电子束曝光及刻蚀工艺实现了亚10 nm石墨烯纳米结构的可控制备.同时设计并制备了单排孔石墨烯条带结构,该结构打开的带隙远大于相同特征宽度石墨烯纳米带所能打开带隙的大小.该结构在有效打开石墨烯带隙的同时,增加了石墨烯纳米结构可以承载的驱动电流,有利于石墨烯在未来微电子领域的应用.

基于双极性二维晶体的新型p-n结
Novel p-n junctions based on ambipolar two-dimensional crystals

张增星, 李东
物理学报. 2017, 66 (21): 217302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.217302
全文: [PDF 1921 KB] 下载:(85)
摘要

二维晶体的特殊结构和新奇物理性能为构建新型纳米结构和器件,实现半导体领域的突破性进展提供了可能.本文首先介绍了双极性二维晶体的基本物理性能和相关范德瓦耳斯异质结的制备方法.在此基础上,主要综述了双极性二维晶体在新型电场调制二维晶体p-n结与异质p-n结以及非易失性可存储二维晶体p-n结等方面的应用、相关结构设计、电子和光电子等物理性能.然后进一步介绍了该类新型p-n结在逻辑整流电路、场效应光电子晶体管、多模式非易失性存储器、整流存储器、光电子存储器、光伏器件等方面的潜在应用.最后总结展望了该种新型p-n结在相关领域的可能发展方向.

二维原子晶体的低电压扫描透射电子显微学研究
Low voltage scanning transmission electron microscopy for two-dimensional materials

黎栋栋, 周武
物理学报. 2017, 66 (21): 217303      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.217303
全文: [PDF 1855 KB] 下载:(49)
摘要

二维原子晶体材料,如石墨烯和过渡金属硫族化合物等,具有不同于其块体的独特性能,有望在二维半导体器件中得到广泛应用.晶体中的结构缺陷对材料的物理化学性能有直接的影响,因此研究结构缺陷和局域物性之间的关联是当前二维原子晶体研究中的重要内容,需要高空间分辨率的结构研究手段.由于绝大部分二维原子晶体在高能量高剂量的电子束辐照下容易发生结构损伤,利用电子显微方法对二维原子晶体缺陷的研究面临诸多挑战.低电压球差校正扫描透射电子显微(STEM)技术的发展,一个主要目标就是希望在不损伤结构的前提下对二维原子晶体的本征结构缺陷进行研究.在STEM下,多种不同的信号能够被同步采集,包括原子序数衬度高分辨像和电子能量损失谱等,是表征二维原子晶体缺陷的有力工具,不但能对材料的本征结构进行单原子尺度的成像和能谱分析,还能记录材料结构的动态变化.通过调节电子束加速电压和电子辐照剂量,扫描透射电子显微镜也可以作为电子刻蚀二维原子晶体材料的平台,用于加工新型纳米结构以及探索新型二维原子晶体的原位制备.本综述主要以本课题组在石墨烯和二维过渡金属硫族化合物体系的研究为例,介绍低电压扫描透射电子显微学在二维原子晶体材料研究中的实际应用.

基于六角氮化硼二维薄膜的忆阻器 Hot!
Two-dimensional hexagonal boron nitride based memristor

吴全潭, 时拓, 赵晓龙, 张续猛, 伍法才, 曹荣荣, 龙世兵, 吕杭炳, 刘琦, 刘明
物理学报. 2017, 66 (21): 217304      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.217304
全文: [PDF 1493 KB] 下载:(65)
摘要

报道了一种基于多层六角氮化硼(h-BN)二维薄膜的忆阻器件.该器件不需要电预处理过程,且具有自限流的双极性阻变行为;具有较好的抗疲劳性和较长的数据保持时间.该器件在脉冲编程条件下具有模拟转变特性,即在连续的电压脉冲下器件的电阻态能被连续地调控,使得该器件能够模仿神经网络系统中的神经突触权重变化行为.综上所述,基于多层h-BN的忆阻器具有应用在非易失性存储和神经计算中的潜力.

基于毫米级单晶石墨烯的倍频器性能研究
Gigahertz frequency doubler based on millimeter-scale single-crystal graphene

高庆国, 田猛串, 李思超, 李学飞, 吴燕庆
物理学报. 2017, 66 (21): 217305      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.217305
全文: [PDF 492 KB] 下载:(44)
摘要

石墨烯作为一种拥有高电子迁移率和高饱和速度的二维材料,在射频电子学领域具有很大的应用潜力,引起了人们广泛的研究兴趣.近些年随着化学气相沉积制备石墨烯技术的发展,高质量大尺寸的单晶石墨烯生长技术也愈加成熟.本文基于化学气相沉积生长的毫米级单晶石墨烯,在高介电常数介质上制备出高性能的石墨烯倍频器,并且对其倍频特性做了系统的研究.研究结果表明:在输入信号频率为1 GHz时,倍频增益可以达到-23.4 dB,频谱纯度可以达到94%.研究了不同漏极偏压以及输入信号功率下倍频增益的变化特性,随着漏极偏压以及输入信号功率的增加,倍频增益增加.对具有不同跨导和电子空穴电导对称性的器件的倍频增益和频谱纯度随输入信号频率fin的变化关系进行了研究.结果表明,跨导对于倍频增益影响显著,在fin=1 GHz时器件的频谱纯度差别不大,均大于90%,但是随着fin增加至4 GHz,电子空穴电导对称性较差的器件频谱纯度下降至42%,电子空穴电导对称性较好的器件仍能保持85%的频谱纯度.这是电子空穴电导对称性和电子空穴响应速度共同作用的结果.本文的研究结果对于高性能石墨烯倍频器设计具有一定的指导意义.

硼烯和碱土金属硼化物二维纳米材料的制备、结构、物性及应用研究
Preparation, structure configuration, physical properties and applications of borophene and two-dimensional alkaline-earth metal boride nanomaterials

郭泽堃, 田颜, 甘海波, 黎子娟, 张彤, 许宁生, 陈军, 陈焕君, 邓少芝, 刘飞
物理学报. 2017, 66 (21): 217702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.217702
全文: [PDF 1137 KB] 下载:(73)
摘要

随着石墨烯研究的兴起,二维纳米材料得以迅速发展.在众多的二维纳米材料中,硼烯和碱土金属硼化物二维材料由于具有高费米速度、高杨氏模量、高透光性、高延展性、高度的各向异性、大的泊松比和高的化学稳定性等独特的性质,成为研究人员关注的焦点.本文侧重介绍目前硼烯和碱土金属硼化物二维纳米材料的制备工艺、结构、物性和应用情况.首先总结了目前硼烯的主要结构构型和制备及掺杂工艺;其次介绍了碱土金属硼化物二维纳米材料的理论结构构型和可能的制备路线;最后对硼烯和二维碱土金属硼化物纳米材料的物理特性进行归纳总结,同时预测它们未来最可能实现应用的领域.

石墨烯-硅基混合光子集成电路
Graphene-silicon hybrid photonic integrated circuits

肖廷辉, 于洋, 李志远
物理学报. 2017, 66 (21): 217802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.217802
全文: [PDF 1142 KB] 下载:(76)
摘要

近年来硅基光子学已经慢慢走向成熟,它被认为是未来取代电子集成电路,实现下一代更高性能的光子集成电路的关键技术.这得益于硅基光子器件与现代的互补金属氧化物半导体工艺相兼容,能够实现廉价的大规模集成.然而,由于受硅材料本身的光电特性所限,在硅基平台上实现高性能的有源器件仍然存在着巨大挑战.石墨烯-硅基混合光子集成电路的发展为解决这一问题提供了可行的方案.这得益于石墨烯作为一种兼具高载流子迁移率、高电光系数和宽带吸收等优点的二维光电材料,能够方便地与现有硅基器件相集成,并充分发挥自身的光电性能优势.本文结合我们课题组在该领域研究的一些最新成果,介绍了国际上在石墨烯-硅基混合光子集成电路上的一些重要研究进展,涵盖了光源、光波导、光调制器和光探测器四个重要组成部分.

双层石墨烯的化学气相沉积法制备及其光电器件
Synthesis of bilayer graphene via chemical vapor deposition and its optoelectronic devices

杨云畅, 武斌, 刘云圻
物理学报. 2017, 66 (21): 218101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.218101
全文: [PDF 1439 KB] 下载:(59)
摘要

石墨烯是一种具有优异性质,在光电及能源领域具有巨大应用前景的二维材料.尽管单层石墨烯具有超高的迁移率,但是它的能带结构具有狄拉克锥(K点),即价带和导带并未有明显分离,所以在半导体器件方面的应用受到一定的限制.由双层石墨烯搭建而成的双门器件,在施加外加电场的情况下,它的带隙可以打开,并在一定范围内可调,这种性质赋予了双层石墨烯在半导体器件应用方面的前景.然而机械或者液相剥离石墨烯,在层数和大小方面可控性较差.如何通过化学气相沉积法可控制备双层石墨烯是目前研究的核心问题之一.本文主要综述了如何通过化学气相沉积法制备双层石墨烯和制备双层石墨烯器件的一系列工作,其中包括最新的研究进展,对生长机理的研究做了详细的介绍和讨论,并对该领域的发展进行了展望.

硅基底石墨烯器件的现状及发展趋势
Research status and development graphene devices using silicon as the subtrate

武佩, 胡潇, 张健, 孙连峰
物理学报. 2017, 66 (21): 218102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.218102
全文: [PDF 1264 KB] 下载:(69)
摘要

石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列而形成的具有蜂窝状结构的二维晶体材料,特殊的结构赋予了其优异的性能,如高载流子迁移率、电导率、热导率、力学强度以及量子反常霍尔效应.由于石墨烯优异的特性,迅速激起了人们对石墨烯研究以及应用的热情.石墨烯沉积或转移到硅片后,其器件构建与集成和传统硅基半导体工艺兼容.基于石墨烯的硅基器件与硅基器件的有机结合,可以大幅度提高半导体器件的综合性能.随着石墨烯制备工艺和转移技术的优化,硅基底石墨烯器件将呈现出潜在的、巨大的实际应用价值.
随着器件尺寸的纳米化,器件的发热、能耗等问题成为硅基器件与集成发展面临的瓶颈问题,石墨烯的出现为解决这些问题提供了一种可能的解决方案.本文综述了石墨烯作为场效应晶体管研究的进展,为解决石墨烯带隙为零、影响器件开关比的问题,采用了量子限域法、化学掺杂法、外加电场调节法和引入应力法.在光电器件研究方面,石墨烯可以均匀吸收所有频率的光,其光电性能也受到了广泛的关注,如光电探测器、光电调制器、太阳能电池等.同时,石墨烯作为典型的二维材料,其优越的电学性能以及超高的比表面积,使其作为高灵敏度传感器的研究成为纳米科学研究的前沿和热点领域.

石墨烯纳米带的制备与电学特性调控
Fabrication and electrical engineering of graphene nanoribbons

张辉, 蔡晓明, 郝振亮, 阮子林, 卢建臣, 蔡金明
物理学报. 2017, 66 (21): 218103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.218103
全文: [PDF 2840 KB] 下载:(64)
摘要

石墨烯由于其独特的晶体结构展现出了特殊的电学特性,其导带与价带相交于第一布里渊区的六个顶点处,形成带隙为零的半金属材料,具有优异的电子传输特性的同时也限制了其在电子学器件中的使用.因而科研人员尝试各种方法来打开其带隙并调控其能带特性,主要有利用缺陷、应力、掺杂、表面吸附、结构调控等手段.其中石墨烯纳米带由于量子边界效应和限制效应,存在带隙.本综述主要介绍了制备各类石墨烯纳米带的方法,并通过精确调控其细微结构,从而对其进行精确的能带调控,改变其电学特性,为其在电子学器件中的应用提供一些可行的方向.

高性能石墨烯霍尔传感器
High performance graphene Hall sensors

黄乐, 张志勇, 彭练矛
物理学报. 2017, 66 (21): 218501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.218501
全文: [PDF 3111 KB] 下载:(47)
摘要

本文回顾了石墨烯霍尔传感器的相关研究工作.通过改善石墨烯生长转移和霍尔元件的微加工工艺,石墨烯霍尔元件和霍尔集成电路都展示出超越传统霍尔传感器的优异性能.石墨烯霍尔元件的灵敏度、分辨率、线性度和温度稳定性等重要指标都优于传统商用霍尔元件.通过开发一套钝化工艺,霍尔元件的稳定性有了明显提升.结合石墨烯材料的特点,展示了石墨烯在柔性磁传感和多功能传感领域的新颖应用.此外,成功实现了石墨烯/硅互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)混合霍尔集成电路,并进行了应用展示.通过发展一套低温加工工艺(不超过180 ℃),将石墨烯霍尔元件制备在硅基CMOS芯片的钝化层上,从而与硅基CMOS电路实现了单片集成.本文的研究结果表明石墨烯在霍尔磁探测方向拥有重大的性能优势,在产业化应用中有巨大发展潜力.

石墨烯射频器件研究进展
Research progress of graphene radio frequency devices

卢琪, 吕宏鸣, 伍晓明, 吴华强, 钱鹤
物理学报. 2017, 66 (21): 218502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.218502
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摘要

石墨烯因具有优良的电学特性,在半导体行业中受到广泛关注,特别因其具有超薄的结构和极高的载流子迁移率,为解决短沟道效应提供了可能,并且在高速电子领域具有应用前景.近年来,使用石墨烯作为沟道材料制备射频晶体管及射频电路是发挥石墨烯材料优势的一个重要研究方向.制造高性能的射频器件,首先要制备出高性能的石墨烯材料.在金属衬底上沉积均匀的单层石墨烯材料或者在绝缘衬底上外延生长单层、双层石墨烯材料都是获得高质量石墨烯材料的常用方法.器件结构及工艺流程的设计也是提升晶体管射频性能的重要因素,多指栅结构、T型栅结构、埋栅结构以及自对准工艺的发展能够有效改善石墨烯射频晶体管的截止频率及最大振荡频率.石墨烯晶体管独特的电学特性使得其除了可以构造与其他半导体材料电路相似的射频电路结构,还可以构造出功能完整并且结构更加简单的新型射频电路结构.

二维半导体过渡金属硫化物的逻辑集成器件
Logical integration device for two-dimensional semiconductor transition metal sulfide

李卫胜, 周健, 王瀚宸, 汪树贤, 于志浩, 黎松林, 施毅, 王欣然
物理学报. 2017, 66 (21): 218503      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.218503
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摘要

微电子器件沿摩尔定律持续发展超过50年,正面临着高功耗等挑战.二维层状材料可以将载流子限制在界面1 nm的空间内,部分材料展现出高迁移率、能带可调、拓扑奇异性等特点,有望给“后摩尔时代”微电子器件带来新的技术变革.其中,以MoS2为代表的过渡金属硫化物具有1–2 eV的带隙、良好的空气稳定性和工艺兼容性,在逻辑集成方面有巨大潜力.本文综述了二维过渡金属硫化物在逻辑器件领域的研究进展,重点讨论电子输运机理、迁移率、接触电阻等关键问题及集成技术的现状,并为今后的发展指出了方向.

总论

受污染混沌信号的协同滤波降噪
Denoising of contaminated chaotic signals based on collaborative filtering

陈越, 刘雄英, 吴中堂, 范艺, 任子良, 冯久超
物理学报. 2017, 66 (21): 210501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.210501
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摘要

根据混沌吸引子的自相似分形特性,提出了一种利用协同滤波重构受污染混沌信号的降噪算法.所设计的降噪算法通过对相似片段的分组将一维混沌信号的降噪转化为一个二维联合滤波问题;然后,在二维变换域用阈值法衰减噪声;最后,通过反变换获得原始信号的估计.由于分组中的相似片段具有良好的相关性,与直接在一维变换域做阈值降噪相比,分组的二维变换能获得原信号更稀疏的表示,更好地抑制噪声.仿真结果表明,该算法对原始混沌信号的重构精度和信噪比的提升都优于小波阈值、局部曲线拟合等现有的混沌信号降噪方法,对相图的还原质量也更好.

基于时间序列符号化模式表征的有向加权复杂网络
Directed weighted complex networks based on time series symbolic pattern representation

曾明, 王二红, 赵明愿, 孟庆浩
物理学报. 2017, 66 (21): 210502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.210502
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摘要

时间序列复杂网络分析近些年已发展成为非线性信号分析领域的一个国际热点课题.为了能更有效地挖掘时间序列(特别是非线性时间序列)中的结构特征,同时简化时间序列分析的复杂度,提出了一种新的基于时间序列符号化结合滑窗技术模式表征的有向加权复杂网络建网方法.该方法首先按照等概率区段划分的方式将时间序列做符号化处理,结合滑窗技术确定不同时刻的符号化模式作为网络的节点;然后将待分析时间序列符号化模式的转换频次和方向作为网络连边的权重和方向,从而建立时间序列有向加权复杂网络.通过对Logistic系统不同参数设置对应的时间序列复杂网络建网测试结果表明,相比经典的可视图建网方法,本文方法的网络拓扑能更简洁、直观地展示时间序列的结构特征.进而,将本文方法应用于规则排列采集的自然风场信号分析,其网络特性指标能较准确地预测采集信号的排布规律,而可视图建网方法的网络特性指标没有任何规律性的结果.

原子和分子物理学

超冷铯Rydberg原子的Autler-Townes分裂
Autler-Townes splitting of ultracold cesium Rydberg atoms

薛咏梅, 郝丽萍, 焦月春, 韩小萱, 白素英, 赵建明, 贾锁堂
物理学报. 2017, 66 (21): 213201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.213201
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摘要

主要研究超冷铯Rydberg原子阶梯型三能级系统的Autler-Townes(A-T)分裂.铯原子基态6S1/2、第一激发态6P3/2和Rydberg态形成阶梯型三能级系统,强耦合光共振作用于6P3/2F'=5)→34D5/2的跃迁,探测光由偏振光谱锁定在6S1/2F=4)→6P3/2F'=5)的跃迁,并由双通的声光调制器在其共振跃迁附近扫描,形成的Rydberg原子A-T分裂谱由单光子计数器探测.A-T光谱的双峰间距与耦合光的拉比频率成正比,实验结果与理论计算在耦合光拉比频率Ωc<2π×9 MHz时符合得很好,在拉比频率Ωc>2π×9 MHz时,测量的A-T分裂比理论计算值小13%.产生偏差的主要原因是由于较大的耦合光拉比频率Ωc增加了激发的Rydberg原子数,Rydberg原子间的相互作用产生了较大的退相干率所致.

实现粒子布居高效转移的两种激光脉冲时序方案的理论研究
Theoretical research on an efficient population transfer based on two different laser pulse sequences

张露, 严璐瑶, 鲍洄含, 柴晓茜, 马丹丹, 吴倩楠, 夏凌晨, 姚丹, 钱静
物理学报. 2017, 66 (21): 213301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.213301
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摘要

基于最近实验工作的结果(2010 Nat.Phys. 6 265)即Danzl等在五能级M型级联系统中分别利用连续型和四光子型受激拉曼绝热通道(stimulated Raman adiabatic passage,STIRAP)实现了将Feshbach态上弱束缚的Cs2有效转移到其振转基态,本文理论研究了两种STIRAP方案实施的基本条件,解析推导系统的准暗态、绝热参数的具体形式并分析其存在的必要性,详细讨论布居转移效率对相关参量的依赖关系.通过比较激光脉冲的时序、中间能级的失谐量和自发辐射率、光场脉冲的幅值等诸多参量的不同影响,讨论方案各自的优缺点,找到了参量优化的方法以实现最高效的粒子布居数转移.与前人的实验结果相比,本文研究表明,实验观测值(约0.60)均低于理论预估最佳值(约0.97)的主要原因是受限于激发态能级的自发辐射率过大.该理论方案还可用于制备量子纠缠态,在量子逻辑门操控、量子信息传输等领域都有潜在的应用.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

基于模式分离的兰姆波逆时偏移成像
Reverse time migration Lamb wave imaging based on mode separation

张海燕, 杨杰, 范国鹏, 朱文发, 柴晓冬
物理学报. 2017, 66 (21): 214301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.214301
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摘要

应用频率域逆时偏移方法实现各向同性和各向异性板中缺陷的兰姆波成像.由于缺陷引起的多模态散射信号会在重建图像中形成伪像,根据基本导波模式振动对称性的差别进行了模式分离预处理.基于多元阵列超声技术,开展了铝板和复合板内缺陷频率域逆时偏移超声成像方法的数值仿真研究.首先,建立有限元模型,采用环形传感器数值采集由缺陷引起的兰姆波散射信号,然后,将采集到的多模式散射信号进行模式分离处理,再将模式分离后的兰姆波散射信号经时间反转后并在相应的接收器处重新激励,在频域中运用格林函数反向传播兰姆波散射信号,获取监测区域的声场信息,与正向传播声场进行互相关,重建缺陷图像.首先对铝板中单缺陷以及复合材料板中相邻的两个相同缺陷进行数值仿真,对比有无模式分离处理的缺陷逆时偏移成像效果,体现出模式分离的重要性.在此基础上,采用逆时偏移方法对复合板材内位置邻近、深度不同的双缺陷进行识别.数值结果表明,模式分离预处理后的缺陷重建图像能够有效去除多模式干扰产生的伪像.文中提出的成像方法对各向同性板和各向异性板内缺陷的检测和成像具有很好的发展潜力,可以准确地探测多个缺陷的形状、尺寸和深度.

气体、等离子体和放电物理

Z箍缩动态黑腔形成过程MULTI程序一维数值模拟
One-dimensional numerical investigation on the formation of Z-pinch dynamic hohlraum using the code MULTI

吴福源, 禇衍运, 叶繁, 李正宏, 杨建伦, Rafael Ramis, 王真, 祁建敏, 周林, 梁川
物理学报. 2017, 66 (21): 215201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.215201
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摘要

Z箍缩动态黑腔能够高效地将Z箍缩丝阵等离子体动能转换为黑腔辐射能,为驱动惯性约束靶丸聚变提供高品质的X射线辐射场.利用一维双温多群辐射磁流体力学程序MULTI-IFE,研究了“聚龙一号”装置驱动电流条件下的Z箍缩动态黑腔形成基本物理过程.数值模拟结果表明,在动态黑腔形成过程中,辐射热波的传播速度比冲击波的传播速度更快,比冲击波更早到达泡沫中心,使中心区域的泡沫在冲击波到达前就已具有较高的辐射温度.对于“聚龙一号”装置动态黑腔实验0180发次采用的负载参数,辐射热波和冲击波在泡沫中的传播速度分别约为36.1 cm/μs和17.6 cm/μs,黑腔辐射温度在黑腔形成初期约80 eV,在冲击波到达泡沫中心前可达100 eV以上,丝阵等离子体外表面发射的X射线能量集中在1000 eV以下.本文给出了程序采用的计算模型、美国“土星”装置丝阵内爆计算结果和“聚龙一号”装置动态黑腔实验0180发次模拟结果.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

不同衬底条件下石墨烯结构形核过程的晶体相场法研究
Phase-field crystal modelling the nucleation processes of graphene structures on different substrates

谷季唯, 王锦程, 王志军, 李俊杰, 郭灿, 唐赛
物理学报. 2017, 66 (21): 216101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.216101
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摘要

利用可描述气-固转变的三模晶体相场模型,在原子尺度上研究了不同衬底条件下石墨烯结构的形核过程.结果表明:无论衬底存在与否,气态原子均是先聚集为无定形过渡态团簇,随着气态原子的不断堆积和固相团簇中原子位置的不断调整,过渡态团簇逐渐转变为有序的石墨烯晶核,在此过程中,五元环结构具有重要的过渡作用;石墨烯在结构匹配较好的衬底(如面心立方(face-centered cubic,FCC)结构(111)和(110))上生长时,可形成几乎没有结构缺陷单晶石墨烯岛;在无衬底或结构匹配性较差的衬底(如FCC结构(100)面)上生长时,形成的石墨烯岛结构缺陷和晶界较多,不利于高质量石墨烯的制备.

基于三轴X射线衍射方法的n-GaN位错密度的测试条件分析
Analyses of determination conditions of n-GaN dislocation density by triple-axis X-ray diffraction

何菊生, 张萌, 邹继军, 潘华清, 齐维靖, 李平
物理学报. 2017, 66 (21): 216102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.216102
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摘要

三轴X射线衍射技术广泛应用于半导体材料参数的精确测试,然而应用于纤锌矿n-GaN位错密度的测试却可能隐藏极大的误差.本文采用三轴X射线衍射技术测试了两个氢化物气相外延方法生长的n-GaN样品,发现两样品对应衍射面的半高全宽都基本一致,按照镶嵌结构模型,采用Srikant方法或Williamson-Hall方法,两样品的位错密度也应基本一致.但van der Pauw变温霍尔效应测试表明,其中的非故意掺杂样品是莫特相变材料,而掺Si样品则是非莫特相变材料,位错密度有数量级的差别.实验表明,位错沿晶界生长导致的晶粒尺寸效应,表现为三轴X射线衍射技术检测不到晶界晶格畸变区域的位错,给测试带来极大误差,这对正确使用Srikant方法和Williamson-Hall方法提出了测试要求.分析表明,当扭转角与倾转角之比βtwist/βtilt≥ 2.0时,Srikant方法是准确的,否则需进一步由Williamson-Hall方法确定晶粒大小(面内共格长度L//),当L//≥ 1.5 μm时,Srikant方法是准确的.

NiTi(110)表面氧原子吸附的第一性原理研究
First-principles study on the adsorption of oxygen at NiTi (110) surface

刘坤, 王福合, 尚家香
物理学报. 2017, 66 (21): 216801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.216801
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摘要

为了研究给定的NiTi的表面氧化过程,在保持体系中Ni和Ti原子总数相等的条件下,构建了一系列Ti原子在表面反位的c(2×2)-NiTi(110)缺陷体系,并利用第一性原理计算研究了氧原子在各种NiTi(110)反位缺陷体系的吸附行为以及表面形成能.计算结果表明:吸附氧原子的稳定性与表面Ti原子的富集程度有很大的关联性,体系表面Ti原子富集程度越高,氧原子吸附的稳定性越高;当覆盖度较高时,由于氧原子的吸附,可使Ni和Ti原子在表面出现反位.在富氧条件(μO≥ -9.35 eV)下,氧原子在表面第1层中的全部Ni原子与第3层全部Ti换位的反位缺陷体系上的吸附最稳定,此时随着氧原子的吸附,表面上的Ti原子升高,导致向上膨胀生长形成二氧化钛层,且在其下方形成富Ni层,由此可合理地解释实验上发现NiTi合金氧化形成二氧化钛层的可能原因.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

石墨烯在Al2O3(0001)表面生长的模拟研究
Growth of graphene on Al2O3 (0001) surface

李锦锦, 李多生, 洪跃, 邹伟, 何俊杰
物理学报. 2017, 66 (21): 217101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.217101
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摘要

基于密度泛函理论的广义梯度近似法,对用化学气相沉积法在蓝宝石(α-Al2O3)(0001)表面上生长石墨烯进行理论研究.研究结果表明:CH4α-Al2O3(0001)表面上的分解是吸热过程,由CH4完全分解出C需要较高能量及反应能垒,这些因素不利于C在衬底表面的存在.在α-Al2O3(0001)表面,石墨烯形核的活跃因子并不是通常认为的C原子,而是CH基团.通过CH基团在α-Al2O3(0001)表面上的迁移聚集首先形成能量较低的(CH)x结构.模拟研究(CH)x对揭示后续石墨烯的形核生长机理具有重要意义.

基于多铁纳磁体的择多逻辑门三维磁化动态特性研究
Three-dimensional magnetization dynamics in majority gate studied by using multiferroic nanomagnet

危波, 蔡理, 杨晓阔, 李成
物理学报. 2017, 66 (21): 217501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.217501
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摘要

建立了多铁纳磁体择多逻辑门的三维磁化动态模型,并施加应变时钟(应力或电压)对多铁择多逻辑门的择多计算功能进行了动态仿真,同时分析了应变时钟工作机制以及它与择多逻辑门可靠转换之间的关系.仿真结果表明所建三维动态模型准确地描述了择多逻辑门的工作机制,在30 MPa应力作用下,择多逻辑门接受新输入实现了正确的择多计算功能.研究还发现对中心纳磁体和输出纳磁体依次撤去应变时钟时,提前撤去输出纳磁体上的应力会降低择多逻辑门的正确计算概率,而延迟撤去输出纳磁体上的应力会降低择多逻辑门的工作频率.研究结果深化了人们对多铁择多逻辑门动态特性的认识,可为多铁逻辑电路的设计提供重要指导.

氧空位迁移造成的氧化物介质层时变击穿的蒙特卡罗模拟
Monte Carlo simulation of time-dependent dielectric breakdown of oxide caused by migration of oxygen vacancies

栗苹, 许玉堂
物理学报. 2017, 66 (21): 217701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.217701
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摘要

基于氧空位在金属氧化物内部迁移的微观机理,利用蒙特卡罗方法建立了一种新型的可模拟金属氧化物介质时变击穿的模拟工具.利用建立的模拟工具研究了界面形成氧空位迁移功函数对介质层击穿行为的影响.该工具可应用于金属氧化物半导体晶体管栅介质击穿研究并准确评估其可靠性.

非对称光束干涉制备二维微纳光子结构研究
Fabrication of two-dimensional micro-nano photonic structures by symmetry-lost beams interference

吕浩, 尤凯, 兰燕燕, 高冬, 赵秋玲, 王霞
物理学报. 2017, 66 (21): 217801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.217801
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摘要

研究了基于不同偏振组合的非对称4束和5束光干涉制备二维微纳光子结构.通过改变光束的参数组合获得了枝节状、波形状等结构.在非对称光束干涉中,光束的构型和偏振改变了波矢差分布,从而改变晶格形貌和对比度.利用CHP-C感光胶开展了全息光刻实验制备,获得了与模拟一致的光子结构.该研究为制备新颖光子结构提供了有效途径,此类光子结构还可以为制备不同类型的金属点阵结构提供模板,对新型光子器件的制备和应用研究具有一定的促进作用.


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