石墨双炔电学与光电性质研究

Owing to the ultrahigh carrier mobility, sizeable bandgap, and environmental stability, graphdiyne is well suited for electronic and optoelectronic applications. However, the current research on graphdiyne is mainly focused on the synthesis and application of powders, lacking experimental investigations of basic physical properties, especially its excellent electrical and optoelectronic properties. In this project, high-crystalline single/few-layer graphdiyne will be synthesized with spatially confined reactions, providing suitable materials for experimental study. A liquid/liquid or gas/liquid interfacial will be utilized to generate single-crystalline graphdiyne with lateral size larger than 5 μm. And continuous ultra-thin graphdiyne film with thickness less than 1 nm will be synthesized on the surface of hexagonal boron nitride (h-BN). The electrical and optoelectronic properties of graphdiyne, i.e. electrical conduction type, carrier mobility, electrical conductivity, photoresponsivity, rise and decay time, dark current, and wavelength range, etc., are the focal points of this project. Graphdiyne-based field effect transistors (FET) and photodetectors are fabricated to explore the application prospects. Excellent performances of the FET, such as high on/off ratio, field-effect mobility, transconductance, and small subthreshold swing, will be achieved by optimizing the structures and parameters of the devices. The purposes of this project are demonstrating the excellent properties of graphdiyne and promoting the applications in advanced electronics and optoelectronics.

石墨双炔具有超高的载流子迁移率、合适的带隙以及良好的稳定性，是一种非常有潜力的二维电子/光电材料。然而目前对石墨双炔的研究主要集中在粉体材料的制备及应用开发方面，缺乏对石墨双炔基本物性，尤其是其优异的电学和光电性质的实验研究。本课题从高结晶性单层/少层石墨双炔的制备入手，通过界面限域法制备横向尺寸大于5微米的石墨双炔单晶，并通过模板限域法在六方氮化硼表面制备厚度小于1纳米的石墨双炔薄膜，为器件构筑和物性研究提供高结晶性的薄层样品。利用上述石墨双炔薄膜样品构筑场效应晶体管和光电探测器，对单层和少层石墨双炔的基本电学和光电性质进行系统研究，获得石墨双炔的导电类型、载流子迁移率、电导率、光电响应强度、响应时间、光谱响应范围等基本物性。通过优化场效应晶体管的结构和参数，提升器件的开关比、迁移率、亚阈值摆幅、跨导等性能，探索石墨双炔在电学和光电器件中的应用。

石墨炔具有独特的结构和优异的物理化学性质，在能源和催化等领域已展现出巨大的应用潜力。然而，石墨炔在光电子器件领域的应用研究仍处于起步阶段，而高结晶性石墨炔薄膜的大面积制备成为阻碍石墨炔器件研究的一大难题。在此背景下，本项目三年来围绕晶圆尺寸石墨炔薄膜的可控制备，以及石墨炔基新型电子和光电子器件开发等方面开展了系统的研究工作，取得以下创新性成果：石墨炔薄膜制备方面，利用范德华外延方法在石墨烯、氮化硼、二硫化钼等二维材料表面生长出厚度可控的高结晶性石墨炔和类石墨炔薄膜，并首次制备出厚度仅为0.3 nm的晶圆级单层芘基石墨炔薄膜；发展出基于双电层限域原理的石墨炔制备新方法，制备出厚度仅为1 nm的晶圆尺寸石墨炔薄膜；利用微波加热方法不借助催化剂在钙钛矿量子点表面生长出厚度约为1 nm的石墨炔膜，构筑核壳结构的石墨炔/钙钛矿量子点材料。石墨炔新型器件开发方面，我们构筑了基于石墨炔的多比特光电存储器，在光/电脉冲刺激下可实现256个存储态（8比特）；基于石墨炔的高速非易失性存储器兼具超快运行速度（20 ns）、超长存储时间（10年）以及超低的工作电压（2 V）和能耗（10 fJ），成为高速非易失性浮栅存储器领域开创新工作之一；基于石墨炔发展了一系列新型类脑器件，包括具有超低能耗（50 aJ/μm2）的电解质栅控突触晶体管、能够实现全光调控的突触器件，以及光控双模式柔性忆阻器阵列，并对其在类脑计算、存内计算、视觉感知、伤害感知等领域的应用进行探索。通过本项目的实施，解决了阻碍石墨炔器件研究的高结晶性薄膜大面积制备难题，并验证了石墨炔在下一代高速超低能耗新型电子器件中的应用潜力。. 本项目执行期间共发表SCI一区论文7篇，包括Chem 1篇，Adv. Funct. Mater. 2篇，ACS Nano 1篇，Nano Res. 1篇，J. Mater. Chem. A 1篇，ACS Appl. Mater. Interfaces 1篇；申请发明专利4项，其中一项已授权。