ZnO与分子筛表面羟基的固相反应(式(3)),从而促进ZnOH 的生...
孟靖华++杨丽清++陈俐++左欢欢
[摘 要]由于其单原子层特性，石墨烯很容易吸附空气中的水和氧气，使其性能降低。本文从实验的角度出发，研究了石墨烯经过无水乙醇和显影液清洗以后，其掺杂特性的变化情况。根据石墨烯晶体管电学性能的变化，发现无水乙醇清洗石墨烯可以使其P型杂质减少，使石墨烯晶体管的迁移率提高。本文分析了这些实验现象产生的原因。以上发现对石墨烯的清洗、可靠性的提高有重要的参考价值。
[关键词]石墨烯；表面杂质；无水乙醇
中图分类号：TQ202，TB304 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）31-0008-01
引言
石墨烯是碳六边形蜂巢状结构的单原子层材料。2004年发明以来，由于其优异的物理和化学性能，引起了许多科學家们的关注[1]。但是由于其单原子层特性，具有超高表面比，当吸附空气中的杂质时，使其性能会发生变化[2]。比如，当石墨烯暴露在空气中吸附氧气和水时，会显示P掺杂特性，导致其性能下降，影响其应用。许多人们致力于减少石墨表面的P型杂质，使石墨烯显示出更加优良的性能[3]。根据前人的报道[2]，石墨烯变为P型掺杂是因为吸附了空气中的水和氧气，如果只有干燥的氧气是不会变成P掺杂的。我们考虑到水和乙醇互溶，就采用的无水乙醇清洗的方法，有效地减少了石墨烯表面的P型杂质，减少了载流子输运过程中的散射，提高了石墨烯的迁移率。
1 实验过程
单层石墨烯用CVD的方法生长在25微米厚的铜箔上。生长过程如下。首先把铜箔分别用20%的稀盐酸和去离子水清洗后吹干放入CVD系统。抽真空以后，通入流量为30sccm的氢气， 升温至1000摄氏度。保持该温度，将铜箔退火20分钟后通50sccm的CH4， 保持20分钟，石墨烯生长完成。最后冷却至室温，取出样品。生长完以后，把其转移到表面有300nm厚二氧化硅的硅衬底上（硅的电阻率小于0.05Ω？cm）。转移过程如下：在石墨烯/铜箔上面旋凃甲基丙烯酸甲酯（PMMA），然后把石墨烯/铜箔放置在重量浓度为10 %的Fe（NO3）3溶液中浸泡5小时以上，铜箔被溶解掉。把PMMA支撑的石墨烯用水洗几次，然后转移到衬底上面。最后用丙酮溶解掉石墨烯上面的PMMA。转移工作完成。用氧等离子体把石墨烯图形化，在上面生长金属，剥离形成电极，石墨烯晶体管制备完成。图1为石墨烯材料和晶体管结构示意图。
2 结果和讨论
实验完成以后，我们对石墨烯晶体管的电学性能进行第一次测试。然后将器件在无水乙醇中放置5分钟，取出来用压缩空气吹干。进行第二次测试。两次测试的结果在图2中。图2.A和B分别为无水乙醇清洗前后的转移特性和跨导曲线。从图中可以看到经过无水乙醇清洗以后，晶体管的狄拉克点电压明显减小。最大绝对值跨导明显增加。狄拉克点电压的减小，表明石墨烯的P型杂质减少。根据报道[2]，暴露在空气中的石墨烯显示P掺杂特性，是吸附了空气中的水和氧气的原因。所以我们认为P型杂质减少，是由于在石墨烯的无水乙醇清洗过程中，表面的水和氧明显减少。图2.B显示无水乙醇清洗过后，石墨烯晶体管的最大绝对值跨导增加了8.1μS，这个现象表明石墨烯的迁移率增加了。迁移率增加表明载流子传输速度增快，散射减少。
根据以上实验结果，我们对其进行分析。由于乙醇溶于水，当乙醇的体积远远大于水时，水会溶于乙醇。所以，我们认为石墨烯表面的水溶解于乙醇中，当器件从无水乙醇中取出来时，其表面基本附着物为乙醇。在压缩空气吹的过程中挥发掉以后，石墨烯表面明显干净与清洗以前。由于石墨烯表面杂质减少，载流子输运过程中的散射也会减少，迁移率就会增加。以上分析过程见图3。
3 结论
本文研究了无水乙醇清洗石墨烯前后，其晶体管性能的变化。发现用无水乙醇清洗以后，狄拉克点电压减小，跨导增加。此实验结果表明，通过清洗，可以轻易减少石墨烯表面的P型杂质，提高其迁移率。此结果有利于石墨烯放置于空气中性能退化以后的恢复，提高石墨烯在应用中的可靠性，可以作为清洗石墨烯的一种常用方法。
致谢
本文由重庆市教委科学技术研究项目资助。批准号为KJ1502201。
参考文献
[1] 徐秀娟，秦金贵，李振.石墨烯研究进展[J].化学进展，2009，35（12）：2559-2567.
[2] 张芸秋，梁勇明，周建新.石墨烯掺杂的研究进展[J].化学学报，2014，72（3）：367-377.
[3] 杜声玖，石墨烯吸附结构和性质的第一性原理研究.重庆大学[D].2012.endprint
