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材料导报 2017年第9期31卷 57-63页

作者：赵明杰门传玲曹军张自元上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 复旦大学物理学系上海200093

作为一种新型二维材料,石墨烯在电学、光学、传热学及力学性能等方面均表现出极其优异的特性,对石墨烯的研究也得到众多研究者的关注。同时,拥有桥状悬浮结构的悬浮石墨烯(Suspended graphene)以其杂质少、受外界干扰小等优点使得石墨... 详细信息

作为一种新型二维材料,石墨烯在电学、光学、传热学及力学性能等方面均表现出极其优异的特性,对石墨烯的研究也得到众多研究者的关注。同时,拥有桥状悬浮结构的悬浮石墨烯(Suspended graphene)以其杂质少、受外界干扰小等优点使得石墨烯的本征特性得到最大化施展。在研究石墨烯的电子迁移率、传热性、力学性能等方面,悬浮石墨烯有着独特的优势,并且对提升微电子器件的性能作用显著。综述了悬浮石墨烯的制备与性质研究及其在微电子领域的应用进展,并展望了悬浮石墨烯的应用前景。

关键词：悬浮石墨烯杂质少外界干扰小本征特性微电子

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悬浮石墨烯的制备及摩擦与力学性能研究

悬浮石墨烯的制备及摩擦与力学性能研究

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作者：李亮亮东华大学

学位级别：硕士

石墨烯作为固体润滑剂在微/纳米机电系统中具有巨大的应用潜力。本文首先通过接触式光刻法与湿法刻蚀在Si O/Si基底上制备出直径为3μm的圆孔,将石墨烯覆盖于孔上,形成无基底的悬浮石墨烯结构。测量与比较悬浮与支撑石墨烯的摩擦与力学... 详细信息

石墨烯作为固体润滑剂在微/纳米机电系统中具有巨大的应用潜力。本文首先通过接触式光刻法与湿法刻蚀在Si O/Si基底上制备出直径为3μm的圆孔,将石墨烯覆盖于孔上,形成无基底的悬浮石墨烯结构。测量与比较悬浮与支撑石墨烯的摩擦与力学性能后,得出如下结果:(1)将石墨烯悬浮可以起到减少摩擦力的效果。通过计算得到原子力显微镜针尖与悬浮石墨烯的接触面积更大。由于石墨烯在刚性基底上受到几何约束,针尖摩擦过程会在针尖的前方累积褶皱,而悬浮状态则可以将褶皱拉伸。在支撑石墨烯上出现的摩擦增强效应在悬浮石墨烯上也不再出现。此外,对比了4组不同厚度的样品两种状态下的摩擦力大小,发现越厚的样品差异越小。(2)预磨损针尖在石墨烯表面的粘附力和摩擦力比新针尖显著增大,但悬浮对预磨损针尖摩擦力的影响减弱。通过范德华力与毛细作用力计算发现针尖半径的增大会导致针尖与石墨烯表面的范德华力和毛细作用力增大从而使粘附力明显增加,而粘附力的增大直接造成摩擦力的增大。对比不同尺度探针的实验结果后,总结出了石墨烯摩擦力的来源。(3)基于原子力显微镜的纳米压痕法研究石墨烯的力学性能。研究推导了悬浮圆形薄膜受点载荷时法向形变与载荷的关系式。通过Single-Force模块测量得到悬浮石墨烯薄膜的法向力-位移曲线,结合理论模型与实验结果得到石墨烯薄膜的杨氏模量。进一步进行压痕实验将石墨烯压断即可得到最大断裂应力并计算得到断裂强度。

关键词：悬浮石墨烯微纳加工原子力显微镜纳米摩擦力学性能

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悬浮石墨烯的制备及其扫描隧道显微学表征

悬浮石墨烯的制备及其扫描隧道显微学表征

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作者：赵鑫中国科学技术大学

学位级别：硕士

石墨烯是近年来发现的一种新型的二维材料。由于石墨烯独特的物理，化学和生物性质，这种材料引起了科研界和工业界的极大兴趣。石墨烯与铁基超导体，拓扑绝缘体成为凝聚态物理学领域的三大研究热点。在过去的八年里，众多的实验小组利... 详细信息

石墨烯是近年来发现的一种新型的二维材料。由于石墨烯独特的物理，化学和生物性质，这种材料引起了科研界和工业界的极大兴趣。石墨烯与铁基超导体，拓扑绝缘体成为凝聚态物理学领域的三大研究热点。在过去的八年里，众多的实验小组利用各种实验手段，对于石墨烯的物理性质进行了详实的表征，获得了丰富的实验数据。然而各种实验结果表明，衬底会影响石墨烯的物理性质，影响拉曼表征信号，降低石墨烯的载流子输运品质，掩盖其电子间的库伦相互作用等。因此，隔绝衬底对石墨烯的影响，对于悬浮石墨烯进行表征可以进一步揭示石墨烯中更丰富的物理信息。例如，对于悬浮石墨烯的输运测试已经表明，悬浮石墨烯的电子迁移率要远远大于非悬浮石墨烯的电子迁移率。然而至今，对于悬浮石墨烯的扫描隧道显微学的微观表征研究仍然很少，主要原因在于制备用于微观表征的悬浮石墨烯样品很困难。但是，利用扫描隧道显微镜对悬浮石墨烯进行纳米局域的表征具有很大的意义。\n 本论文试图制备一种周期性支撑的悬浮石墨烯样品，用于扫描隧道显微学的微观表征。整个论文可以分为几章:\n 第一章主要介绍了石墨烯的研究进展，制备石墨烯的主流方法，以及石墨烯的主要物理性质。\n 第二章介绍我们制备的一种硅纳米柱阵列的衬底，用于支撑悬浮石墨烯。首先我们介绍一种纳米微球的自组装技术;我们用这种简便的方法自组装了纳米微球模板，并结合深硅刻蚀技术在硅基衬底上刻蚀出纳米柱阵列;最后用化学方法清洗干净衬底，并用扫描电镜表征了纳米柱阵列的品质。\n 第三章介绍我们制备CVD石墨烯的的过程。我们搭建了一套化学气相沉积设备，并利用自己的设备，参照相关文献，制备了大面积，高质量的单层石墨烯。利用扫描电镜，拉曼光谱仪，扫描隧道显微镜多种手段表征了CVD石墨烯的质量。\n 第四章介绍了我们制备并表征悬浮石墨烯的过程。我们参考文献的转移方法，将CVD石墨烯转移到硅基纳米柱阵列上。利用扫描电镜和拉曼谱仪，我们表征了悬浮石墨烯的质量，确保了石墨烯完整，没有破损。最后我们用扫描隧道显微镜表征了悬浮石墨烯，获得了较稳定的悬浮石墨烯的原子图像。并且，我们发现，悬浮石墨烯的扫描隧穿电导谱不同于铜基衬底上的隧穿电导谱，表明悬浮石墨烯的狄拉克点附近的能带是弯曲的，表明了电子库伦相互作用对能带的影响，符合之前文献的相关实验结果。\n 第五章是总结和展望。

关键词：石墨烯悬浮石墨烯纳米柱阵列扫描隧道显微学制备工艺

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一种复合掺杂方式调控石墨烯载流子浓度以及悬浮石墨烯等离激元的研究

一种复合掺杂方式调控石墨烯载流子浓度以及悬浮石墨烯等离激元的...

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作者：唐静中国科学技术大学

学位级别：硕士

单层石墨烯是由sp2杂化的碳原子组成的,具有六角蜂巢状晶格结构,并且石墨烯表现出线性的能量色散关系,也就是能量E正比于动量k。特殊的结构也使石墨烯具有很多优异的性质,例如电子输运中的量子反常霍尔效应和克莱因隧穿。石墨烯的一个... 详细信息

单层石墨烯是由sp2杂化的碳原子组成的,具有六角蜂巢状晶格结构,并且石墨烯表现出线性的能量色散关系,也就是能量E正比于动量k。特殊的结构也使石墨烯具有很多优异的性质,例如电子输运中的量子反常霍尔效应和克莱因隧穿。石墨烯的一个非常大的优点是其载流子浓度极易调控,目前也已经发展出了很多载流子浓度的调控方法(栅压、离子液体、化学掺杂、表面吸附、光照等)。栅压是应用最广的一种手段,而在实际应用或实验研究中,栅压也有一定的局域性。一些电路设计、测试仪器中并不能承受几十甚至上百伏的高压。在轻敲模式的AFM、SNOM测试中,较高的栅压会使得针尖不能顺利进针扫描。最近报道的一种电子束辐照掺杂的方式,可以局域的改变石墨烯载流子浓度,但调控范围较窄。这篇论文应用硝酸(HNO3)掺杂结合电子束辐照的复合方式,可以较大范围并且连续调控石墨烯载流子浓度。通过分析扫描近场光学显微镜(SNOM)和电输运测试结果,我们发现此复合方式可以将石墨烯载流子浓度从2.08× 1013 cm-2调控至-1.49×1012 cm-2,效果相当于常用的300nm二氧化硅介电层321 V的栅压改变。且这种掺杂方式可以通过局域的曝光进行预设图案的掺杂。这种简单、高效的复合掺杂方式有着非常广泛的应用前景。另外,我们对悬浮石墨烯的等离激元也进行了相应的实验研究。本文主要内容分为以下三章:第一章我们首先介绍了石墨烯的研究历史,晶格和能带结构,输运性质;然后讨论了石墨烯的制备和表征,最后介绍了石墨烯等离激元的色散关系,近场激发与调控和实空间成像和传播。第二章我们详细介绍了一种可以大范围、精确调控石墨烯载流子浓度的方法:HNO3结合电子束照射。我们先用硝酸蒸汽对石墨烯进行P型掺杂,然后使用不同剂量的电子束照射石墨烯来达到不同N型掺杂,再利用电输运和扫描近场光学显微镜(SNOM)测试表征调控效果。HNO3掺杂后的石墨烯可以通过局域电子束曝光进行微纳图案的预设计,电子束聚焦在小面积上使得直接将逻辑电路写入单个石墨烯成为可能,有利于石墨烯以及其他基于二维材料的电子和光电器件在未来的应用。第三部分章我们介绍了悬浮石墨烯的器件制备及其近场光学测试,首先介绍了实验用到的微纳加工技术,有电子束曝光(EBL)和紫外光刻以及电子束蒸发镀膜和反应离子刻蚀(RIE)等。然后系统的介绍了悬浮石墨烯制备的方法,着重介绍了我们制备悬浮石墨烯的方法,并且利用原子力显微镜(AFM)还有扫描近场光学显微镜(SNOM)进行测试。最后对实验中遇到的问题作了总结并且提出了可能的解决方案。

关键词：石墨烯近场光学载流子浓度复合掺杂悬浮石墨烯微纳加工

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基于AFM悬浮石墨烯的表面纳米摩擦性质研究

基于AFM悬浮石墨烯的表面纳米摩擦性质研究

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作者：孔然东华大学

学位级别：硕士

石墨烯具有优异的润滑和电学性能,在微/纳机电系统（MEMS/NEMS）中有广泛的潜在应用。由于悬浮情况下能够消除基底对石墨烯的各种因素影响,保留其本征的摩擦特性。因此,研究悬浮石墨烯的摩擦特性在提高相关微电子器件摩擦性能方面有巨... 详细信息

石墨烯具有优异的润滑和电学性能,在微/纳机电系统（MEMS/NEMS）中有广泛的潜在应用。由于悬浮情况下能够消除基底对石墨烯的各种因素影响,保留其本征的摩擦特性。因此,研究悬浮石墨烯的摩擦特性在提高相关微电子器件摩擦性能方面有巨大的优势。本文采用传统的微加工工艺在Si O2/Si基底上的Si O2表面制备微孔阵列,通过机械剥离将石墨烯转移至刻蚀通孔上形成悬浮结构,基于原子力显微镜（AFM）和高精度旋转台探究了在不同方向不同厚度悬浮石墨烯的表面纳米摩擦特性、厚度相关的负载摩擦迟滞机制和基底电场下悬浮石墨烯的摩擦特性。结果表明:（1）厚度为3.6nm支撑石墨烯的表面纳米摩擦表现出显著的各向异性但无周期性规律,原因是褶皱效应的产生,增大了晶格方向的变形。厚度为7.5nm和14.7nm支撑石墨烯的表面纳米摩擦呈现180°和90°的周期各向异性规律,归因于晶格取向和褶皱效应的共同作用。厚度为24.5nm支撑石墨烯的表面纳米摩擦呈现60°的周期各向异性规律,主要受到晶格取向的作用,且沿扶手椅型晶格取向的摩擦力大于锯齿型晶格取向的摩擦力。悬浮状态下,针尖施加载荷被石墨烯的表面包裹,这种包裹结构导致摩擦各向异性无周期性规律。（2）摩擦迟滞实验中,悬浮石墨烯具有厚度依赖性,随着厚度的减小,悬浮石墨烯表现出更明显的摩擦滞后现象。此外,随着设定的最大载荷增加时,摩擦迟滞现象也越明显。基底支撑情况下,由于基底对石墨烯的强粘附作用,没有观察到摩擦滞后的现象。针尖在悬浮和支撑石墨烯的表面测量的力-距离曲线与挠度-载荷关系产生的滞后现象与摩擦滞后发现的现象一致。（3）在基底电场的作用下,悬浮石墨烯的摩擦力随偏压值的增加而增加,且偏压值相同时正偏压下的摩擦力总是大于负偏压下的摩擦力。同样在基底电场作用下,粘附力与摩擦力的变化趋势一致,且观察针尖在悬浮石墨烯的表面粘滑行为发现摩擦能耗会增加。此外,与基底支撑情况下相比,石墨烯悬浮状态下即氧化层缺失时,针尖受到静电力作用影响明显,导致摩擦力增量更大。

关键词：悬浮石墨烯原子力显微镜各向异性负载摩擦迟滞静电力

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悬浮石墨烯谐振腔等离激元近场研究

悬浮石墨烯谐振腔等离激元近场研究

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中国物理学会2018年秋季学术会议

作者：张妮江晓洁向吟啸蔡卫许京军南开大学天津300071

石墨烯表面等离激元已经成为当前纳米光子学最热门的研究领域之一[1]。其不但能极大的突破光的衍射极限，使集成纳米级光子电路成为可能;而且结合其电调控性能实现快速可调的电光器件。但是就目前而言，石墨烯表面等离激元的高传播损耗... 详细信息

石墨烯表面等离激元已经成为当前纳米光子学最热门的研究领域之一[1]。其不但能极大的突破光的衍射极限，使集成纳米级光子电路成为可能;而且结合其电调控性能实现快速可调的电光器件。但是就目前而言，石墨烯表面等离激元的高传播损耗仍然是限制其其应用于高性能电子和光学器件的最大障碍。于此对应，悬浮的石墨烯具有非常高的载流子迁移率和长的弛豫时间[2]，因而具有广阔的应用前景。在本文中，我们利用散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)激发并探测了悬浮石墨烯微结构的表面等离激元[3]。该结构的设计是利用机械剥离的石墨烯转移到利用聚焦粒子束(FIB)加工的圆槽结构上。

关键词：石墨烯表面等离激元悬浮石墨烯聚焦离子束刻蚀 s-SNOM

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基于分子动力学悬浮石墨烯摩擦特性的研究

基于分子动力学悬浮石墨烯摩擦特性的研究

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第十一届摩擦学大会

作者：陈福森王玉娟陈云飞东南大学机械工程学院南京 210096 东南大学江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室南京 210096

采用分子动力学方法模拟Si探针在单层悬浮石墨烯基底上的AFM摩擦实验,得到不同尺寸探针平均摩擦力与正压力的关系。模拟结果表明在重载状态下探针尺寸越大摩擦力反而越小。由于石墨烯层数越少,其抗弯刚度越低,越容易产生变形。,在重载... 详细信息

采用分子动力学方法模拟Si探针在单层悬浮石墨烯基底上的AFM摩擦实验,得到不同尺寸探针平均摩擦力与正压力的关系。模拟结果表明在重载状态下探针尺寸越大摩擦力反而越小。由于石墨烯层数越少,其抗弯刚度越低,越容易产生变形。,在重载状态下单层悬浮石墨烯变形最为严重,石墨烯的凸体变形移动所需的粘弹性犁沟力成为摩擦力的主要部分。多层悬浮石墨烯的模拟结果表明,石墨烯的层数是影响石墨烯摩擦特性的重要因素。模拟证明了相关实验的结果,石墨烯层数越少摩擦力越大,这是由于在相同载荷下单层石墨烯比多层石墨烯具有更大的变形量。表明基底的变形对摩擦特性影响巨大。

关键词：悬浮石墨烯摩擦特性分子动力学数值模拟

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基于分子动力学悬浮石墨烯摩擦特性的研究

基于分子动力学悬浮石墨烯摩擦特性的研究

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第十一届全国摩擦学大会

作者：陈福森王玉娟陈云飞东南大学机械工程学院东南大学江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室

关键词：悬浮石墨烯分子动力学纳米摩擦

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基于悬浮式H型石墨烯的纳机电加速度计设计

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测试技术学报 2025年第2期39卷 138-147页

作者：谷妍霞刘文耀李伟杨泽宇田昊源唐军刘俊中北大学量子传感与精密测量仪器山西省重点实验室山西太原030051 中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室山西太原030051

石墨烯因超薄的薄膜厚度和优异的电学、机械性能成为纳机电系统领域膜材料的理想选择,在传感领域有极大的应用潜力。现有的二维材料纳机电加速度传感器尽管表现出小体积优势,但器件灵敏度亟需提升。提出了基于悬浮式H型石墨烯-质量块的... 详细信息

石墨烯因超薄的薄膜厚度和优异的电学、机械性能成为纳机电系统领域膜材料的理想选择,在传感领域有极大的应用潜力。现有的二维材料纳机电加速度传感器尽管表现出小体积优势,但器件灵敏度亟需提升。提出了基于悬浮式H型石墨烯-质量块的纳机电加速度谐振器结构,探究了H型石墨烯的特性。仿真了H型石墨烯薄膜尺寸、质量块尺寸对谐振频率的影响,确定了石墨烯谐振器的尺寸。通过梁与质量块交界处的传感动力学分析,解释了谐振器灵敏度提升与应力分布的关联机制。最终,传感器位移灵敏度达到47.30 nm/nN,与体积相同的传统悬浮式石墨烯加速度计相比,不增加质量块尺寸,灵敏度可提高3.76倍,品质因数可提升2.46倍。该设计为加速度计、陀螺仪、位移传感等低成本、高灵敏度、超小型化纳米机械传感器的性能改进提供参考。

关键词：悬浮石墨烯力学特性有限元法高灵敏加速度计纳机电系统

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悬空石墨烯对其表面金纳米膜形貌的影响

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物理学报 2018年第12期67卷 134-139页

作者：田士兵顾长志李俊杰中国科学院物理研究所微加工实验室北京100190

石墨烯与金属间的相互作用是石墨烯器件研究中的关键问题之一,其涉及石墨烯器件的电学接触、锂离子电池石墨烯电极、石墨烯金属光学等方面.本文重点研究了不同层数的悬空石墨烯表面金纳米膜退火前后的形貌演化过程,观测到两个重要的现象... 详细信息

石墨烯与金属间的相互作用是石墨烯器件研究中的关键问题之一,其涉及石墨烯器件的电学接触、锂离子电池石墨烯电极、石墨烯金属光学等方面.本文重点研究了不同层数的悬空石墨烯表面金纳米膜退火前后的形貌演化过程,观测到两个重要的现象:1)排除基底影响后的悬空石墨烯层数可以通过金纳米膜的形貌特征进行确认,但其随层数的变化趋势与有基底支撑的石墨烯正好相反;2)退火处理后的悬空石墨烯上的金纳米膜形貌演化过程具有类似水滴在荷叶上的行为.对悬空石墨烯表面金属纳米膜在退火前后的形貌变化规律及其现象背后的物理机理进行了详细的讨论和理论解释.

关键词：悬浮石墨烯纳米金属膜拉曼

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