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光电弹道电子发射显微术对石墨烯与III-族氮化物半导体界面局域光电性质的研究
结题报告
批准号:
11204347
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
28.0 万元
负责人:
徐耿钊
学科分类:
A2001.凝聚态物质结构、相变和晶格动力学
结题年份:
2015
批准年份:
2012
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘争晖、吴东昌、钟海舰、樊英民、李彬、刘宗亮、张竞存
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中文摘要
石墨烯具有特殊的与其微观结构密切相关的相对论性费米子能带结构,且其载流子浓度高度可调。因此,它与半导体相接触的界面性质将迥异于传统的金属-半导体接触。这种新材料的引入极有可能引起器件结构和性能的革命性变化。然而目前,对这样一种新型界面上的电子结构、载流子输运以及光电相互作用尚缺乏深入的研究,而常规光电表征手段难以从微纳尺度上有效了解相关物理机制。本项目拟针对该问题应用自主研发的扫描光电弹道电子发射显微术,以石墨烯与III-族氮化物半导体的界面为研究对象,通过探测针尖注入的载流子在界面上的散射及其对光照的响应,表征石墨烯-半导体的局域界面电子态、势垒高度和光生载流子的输运。结合第一性原理计算,分析石墨烯独特的能带结构对石墨烯与半导体界面接触势垒自适应地进行调控的机制,及其对石墨烯空间微观结构的依赖关系,为设计低功耗、高效率的新颖器件结构提供实验和理论的基础。
英文摘要
Graphene possesses a unique electronic band structure of relativstic-like fermions, which is also affected by its nanostructures greatly. Its carrier concentration is highly tunable as well. Therefor, the contact properties at the interfaces between graphene and semiconductors are quite different from that of traditional metal-semiconductor contacts. This may lead to a huge change in device structures and performances. However, the electronic structure, carrier transport and photo-electronic interactions at these new interfaces still lack intensive study. It is difficult to investigate these interfacial properties in micro or nanometer scale with conventional optoeletronic characterization methods. In view of this problem, taking the interface between graphene and III-nitride as a typical object of study, we propose to investigate the interfacial states, barrier heights and light-induced carrier transport by measuring the scattering of tip-injected carriers at the interfaces and corrcsponding light-induced effects with a homemade photo-assisted ballistic electron emission microscope. Incorporating with first principle calculations, the dependence of self-adaptive mechanism of the cantact barrier between graphene and semiconductor on their energy band structure will be analyzed, as well as on the nanostructures of graphene. The study will benefit the approach to new device structures with lower energy cost and higher efficiensy.
本项目发展了一种局域界面势垒的表征方法:在原子力显微镜的基础上,采用导电探针,在一定偏压下向样品表面注入热载流子,其中能量高于界面势垒的热载流子会越过薄膜与衬底之间的界面流入衬底。通过测量此电流与偏压的关系,并用肖脱基势垒的热电子发射模型进行拟合,可定量获得局域界面势垒。同时,还将光源与光谱测量装置共焦于探针尖端附近,可同为获得表面形貌、局域电学性质和微区光谱,综合分析局域的结构和界面势垒等电学性质的关系。利用这种方法,我们对石墨烯/氮化镓体系的界面接触势垒进行了研究,发现与传统的金属/半导体接触相比,石墨烯无论与n-型半导体接触还是与p-型半导体接触,都能显著降低界面势垒。我们以肖脱基势垒理论为基础,结合石墨烯独特的线性能带结构,建立了一个理论模型,对这种自适应的界面势垒现象进行了分析,并讨论了半导体的载流子浓度、半导体表面电子态等因素的影响,发现后者对于接触势垒有重要影响。进一步地,我们发现CVD生长的石墨烯在向氮化镓表面转移的过程中会形成许多褶皱,在这些褶皱处可形成局域电子态。无论在p-型氮化镓还是n-型氮化镓表面,都能找到局域电子态合适的这种褶皱,进一步降低接触势垒,形成近似于欧姆接触的局域导电通道。本项目中还采用了第一性原理计算的方法对不同形态和不同取向的石墨烯褶皱所形成的局域电子态进行了分析。本项目的研究中对于石墨烯与半导体的接触特性的理解,将有助于进一步推动石墨烯在半导体电子和光电子器件方面的应用发展。
期刊论文列表
专著列表
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专利列表
Nanoscale active hybrid plasmonic laser with a metal-clad metal-insulator-semiconductor square resonator
具有金属包层金属-绝缘体-半导体方形谐振器的纳米级主动混合等离子体激光器
DOI:10.1364/josab.31.001422
发表时间:2014-07-01
期刊:JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA B-OPTICAL PHYSICS
影响因子:1.9
作者:Huang, Zengli;Wang, Jianfeng;Xu, Ke
通讯作者:Xu, Ke
Surface acoustic waves in semi-insulating Fe-doped GaN films grown by hydride vapor phase epitaxy
氢化物气相外延生长的半绝缘 Fe 掺杂 GaN 薄膜中的表面声波
DOI:10.1063/1.4893156
发表时间:2014-08
期刊:Applied Physics Letters
影响因子:4
作者:Huang, Zengli;Zhang, Yumin;Wang, Jianfeng;Xu, Ke
通讯作者:Xu, Ke
Charge transport mechanisms of graphene/semiconductor Schottky barriers: A theoretical and experimental study
石墨烯/半导体肖特基势垒的电荷传输机制:理论和实验研究
DOI:10.1063/1.4859500
发表时间:2014-01
期刊:Journal of Applied Physics
影响因子:3.2
作者:Fan, Yingmin;Wang, Jianfeng;Ren, Guoqiang;Yang, Hui
通讯作者:Yang, Hui
DOI:10.1021/acs.jpcc.5b10045
发表时间:2015-12-17
期刊:JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C
影响因子:3.7
作者:Huang, Zengli;Wang, Jianfeng;Xu, Ke
通讯作者:Xu, Ke
Graphene in ohmic contact for both n-GaN and p-GaN
n-GaN 和 p-GaN 的欧姆接触石墨烯
DOI:10.1063/1.4880732
发表时间:2014-05
期刊:Applied Physics Letters
影响因子:4
作者:Huang, Zengli;Wang, Jianfeng;Ren, Guoqiang;Xu, Ke
通讯作者:Xu, Ke
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