您所在的位置是：进出口服务网 > 新闻资讯

物理所：石墨烯高温器件应用的提出与本征载流子属性的测量

来源：进出口服务网 | 时间：2014/9/10 14:14:04 | 阅读次数：

发布单位：CIEDATA

• 发布人：
• 小杨

　 高温器件在航空、航天、军事、和重工业领域都有着重大的需求和应用。在以上领域中，往往存在高功率密度是必需的，或者高温环境无法逃避的情况；因此，能够工作于高温条件下的器件就成为这些领域中一个重要的问题。传统的半导体器件一般在高温下都不能正常工作。为了使非线性半导体器件（p-n结或晶体管）工作，化学掺杂的载流子或者通过场效应产生的载流子必须是器件中的主导载流子。然而，当器件温度升高，半导体的本征载流子浓度将增加。一旦温度达到某一程度，半导体的本征载流子浓度高于化学掺杂或者场效果控制的载流子浓度，非线性器件将失去它的功能。例如，硅基器件的最高工作温度为250摄氏度。通常在半导体器件设计中，通过提高带隙来获得更高的操作温度；然而，一个更大的带隙也增加了载流子调控的难度。石墨烯是半金属，不是一个半导体；通过掺杂或石墨烯场效应，可以制成p-n结或晶体管。在碳纳米管和石墨烯领域，相当多的研究关注于室温和低温测量用于追求高载流子迁移率。然而，石墨烯中本征载流子的浓度和作用则很少被注意和关注；这是由于石墨烯这种材料对于温度变化的良好的容忍性掩盖了其本征载流子的影响和作用。因此，石墨烯作为一种高温器件的材料的应用潜力没有得到应有的认识和注意。
　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理实验室尹彦，汪力和金奎娟与纳米中心方英研究组和民族大学王文忠合作，用拉曼光谱方法结合电输运测量了电压驱动自升温的石墨烯器件直至2400K。我们定量测量了石墨烯的本征载流子浓度、载流子漂移速度、G模式声子能量，这三个量随温度的变化。图 一是石墨烯器件的结构图及测量时的连接示意图和光学顶视图。器件温度和载流子浓度随器件源漏电压（Vsd）变化。图 二和图 三分别是G模式拉曼峰强度和峰位的实验数据和拟合结果。器件中的费米能级通过G拉曼峰强度与激发光子的谐振行为获得，继而获得器件中的载流子浓度；器件中的温度通过G拉曼峰的偏移量获得；最终，通过共同参量Vsd，获得器件载流子浓度与温度的关系。石墨烯器件本征费米能级为|EF|=2.93kBT，对应的本征载流子浓度为nin=3.87×106cm-2K-2?T2；该数值对于温度的敏感性比传统的半导体（例如，硅或者锗）要小一个数量级。通过估算，我们预见一个良好制备的石墨烯p-n结或晶体管可以操作在1500 K以上的高温条件下；结合碳化硅（SiC）一起工作，石墨烯很可能是未来高温器件的建筑材料之一。同时，我们实验给出了载流子的漂移速度随温度的变化曲线。图 四是石墨烯器件的IV曲线，温度，和载流子漂移速度曲线。我们获得的最大载流子漂移速度为4×104m/s（器件杂质水平为4×1012cm-2）；器件温度超过1000K以后，载流子漂移速度会随增加的场强和增加的温度而减小，这可能是由于载流子退化和Pauli不相容原理的结果。我们还首次给出了石墨烯G模式能量在2400K大温区跨度下的温度系数，ΩG=-4.596×10-6cm-1K-2T2+-0.0139cm-1K-1T+1584cm-1。
　　综上所述，我们用拉曼光谱方法结合电输运定量测量了2400K大温区跨度下，石墨烯的本征载流子密度，漂移速度和G声子能量。我们发现石墨烯的本征载流子浓度对温度的敏感性比传统半导体材料低一个数量级，并预期和展望了石墨烯作为高温器件制备材料的良好潜力。同时，我们绘制出了载流子漂移速度在高场强和高温下的定量行为曲线，并给出了G模式能量在2400K温区跨度下的温度耦合系数。本工作揭示了石墨烯作为一种高温器件材料的优异潜力，指出了石墨烯应用的一个新的研究方向；本工作提供的信息对于理解和量化分析石墨烯在高场强和高温条件下的物理行为至关重要。

分享

打开微信，点击底部的“发现”,使用“扫一扫”即可将网页分享至朋友圈。