石墨烯表面掺杂的应力调控及其电学性质研究

Controllable doping of graphene is crucial for graphene-based devices. However, the very low reactivity in the carbons of graphene brings a great chanllenge on graphene’s controllable doping. Based on our researches on the strained and doped graphene, we propose in this project a new method to modulate the local chemical reactivity of graphene by strain induced deformation, thus achieve contronllable doping of graphene. First, we will synthesize and design graphene films with special deformation (such as one dimensional and two dimensional graphene wrinkles). Then the effects of different strain on the energy band, local density of states and transport properties of graphene film will be further studied, and the phyiscal mechanism of surface modification of graphene will be revealed at last. Furthermore, we will doped the strained graphene with transition-metal atoms, and investigate the effects of pseudomagnetic field induced by strain and periodic potential induced by doping on the energy band and electronic properties of graphene. At last, we will come to selective doping of graphene and tune the electronic properties of graphene with the help of strain. These efforts may provide an effective way to bring the potential of graphene-based electronic devices.

石墨烯的可控性掺杂对于石墨烯基功能器件的构筑至关重要，然而石墨烯中的碳原子呈现化学惰性等因素给石墨烯的可控性掺杂带来了极大的挑战。本项目结合我们在石墨烯的应变调控和掺杂调控两方面的研究基础，提出了通过应力诱导石墨烯产生形变的方法来调控其表面的局部化学活性，进而实现石墨烯的有效可控性掺杂。我们将制备和设计得到具有特定应变结构（如一维和二维褶皱）的石墨烯薄膜，并系统地研究不同的应变结构对石墨烯薄膜的能带结构、局域电子态密度和输运性质等的影响，揭示应力作用下石墨烯表面改性的物理机制。在此基础上，我们将进一步在具有应变结构的石墨烯表面掺杂过渡金属原子，研究应变产生的赝磁场和掺杂引起的周期性静电势对石墨烯能带结构和电学性质的影响。通过应变，最终实现对石墨烯有选择性的掺杂，进而可控地调控石墨烯的电学性质，为实现石墨烯在纳电子器件方面的应用提供可行性。

石墨烯独特的晶格结构和能带结构，赋予了它丰富而奇特的电学性质，如何可控调节石墨烯的电学性质，成为了石墨烯在纳电子器件应用中的关键。本课题利用化学气相沉积的办法在多种金属衬底表面制备了大面积具有多种应变结构的石墨烯。利用原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)/扫描隧道谱(STS)、扫描电子显微镜(SEM)等分析与表征手段对应变石墨烯的形貌结构及其性能进行了表征。项目实施基本按照原计划进行并做了些微调，获得了如下研究结果：. 1. 通过化学气相沉积法，实现了在多种金属衬底表面石墨烯的可控制备。. 2. 利用二维薄膜与衬底热膨胀系数的差异，制备得到了具有多种应变结构的石墨烯及其类石墨烯二维薄膜材料。. 3. 通过应力实现了对石墨烯能带结构和电学性质的调控。指出应力能够调控双层有转角石墨烯的层间耦合强度，进一步诱导双层有转角石墨烯的能带结构及其电学性质发生改变。此外，较大的应力还能诱导双层有转角石墨烯产生零磁场朗道能级量子化的行为。在进一步通过应力和掺杂共同调节石墨烯电学性质的研究中，目前由于在如何平衡应力和掺杂对石墨烯改性的程度上存在一定困难，暂未在微观程度上直接观测到其对石墨烯电学性质的调控。. 4. 利用化学气象沉积法，成功实现了对类石墨烯二维层状薄膜WS2和MoTe2的可控制备，并提出了其生长机制，及不同形貌二维WS2薄膜形貌的演化规律。同时，我们还通过应力这种全新的方法实现了对二维WS2横向异质结的构筑。另外，利用热退火的方法，指出了二维层状材料WS2的层间耦合强度跟薄膜的形貌结构有关：对于均一厚度的WS2薄膜其层间耦合强度小于中心厚边界薄的WS2薄膜的层间耦合强度。. 5. 在本项目资助下，共发表SCI论文8篇，包括Applied Physical Letters，Physical Review B，Nanoscale，Journal of Materials Science， Chemical Physical Letters，Luminescence各一篇，Nanoscale Research letters两篇。