一種調(diào)控和表征石墨烯帶隙的裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及光電子技術領域，具體涉及一種調(diào)控和表征石墨烯帶隙的裝置。
【背景技術】
[0002] 石墨烯是一種新型二維平面結構碳材料，自發(fā)現(xiàn)以來，其獨特的分子結構和優(yōu)異 的物理性能引起了學者和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。石墨烯具有高載流子迀移率、強導熱能力、零 質(zhì)量狄拉克-費米子行為、異常霍爾效應等一系列物理特性，在納米光電子器件方面存在巨 大的應用潛力。然而純石墨烯是一種零帶隙的半導體，故在保持石墨烯高迀移率的前提下， 將石墨烯廣泛應用于半導體領域，打開其帶隙，使其變成具有一定帶隙大小的半導體顯得 尤為重要。目前，調(diào)控石墨烯帶隙的方法主要有光刻法、邊緣修飾、摻雜、引入外加電壓、氫 化石墨烯、在不同基體上外延生長石墨烯等方法，其中化學摻雜是改變石墨烯半導體導電 性質(zhì)最常用的方法。
[0003] 光刻法利用石墨烯帶隙和樣品寬度之間的函數(shù)關系調(diào)控帶隙，但是，受光刻技術 的制約，要刻蝕得到更大寬度的石墨烯非常困難;邊緣修飾法通過在石墨烯邊緣帶引入不 同邊緣化學終端物來改變石墨烯的金屬特性，這種方法針對的是石墨烯帶;化學摻雜引入 的吸收心，在沒有雜質(zhì)原子取代碳原子的情形下實現(xiàn)了費米能級的調(diào)控。吸收心與石墨烯 之間的電荷轉移可以在很大程度上調(diào)控費米能級。通過在石墨烯中引入吸收心產(chǎn)生電荷轉 移對費米能級的影響比在石墨烯兩端加電壓和增加其傳導率對費米能級的影響大幾個數(shù) 量級。
[0004] 石墨烯拉曼光譜的D峰、G峰和2D峰在不破壞石墨烯的前提下表征了石墨烯的結構 和摻雜。D峰位于1355CHT1附近，是由K區(qū)邊界附近聲子呼吸振動模式A lg振動引起的，D峰是 離散的，隨著激發(fā)光子能量的變化而變化，在完美石墨烯樣品中是觀察不到這個振動峰的， 只有當樣品中出現(xiàn)缺陷時此峰才被激活。石墨烯2D拉曼峰是石墨烯布里淵區(qū)K點附近最高 光頻支中兩個相反動量的光子產(chǎn)生的。2D拉曼峰頻率是散射光子頻率的兩倍，其形狀、線寬 和位置直接反映了石墨烯電子帶的結構，而這些電子帶結構又同石墨烯原子層數(shù)有關。G峰 位于1580CHT 1附近，是由于石墨烯電子帶布里淵區(qū)中心的雙重簡并模E2g引起的，其表征了 電荷迀移的程度。
[0005] 石墨烯作為一種特殊的金屬材料，其費米能級在吸收和移除電子的時候?qū)l(fā)生很 大的變化，這是與傳統(tǒng)金屬材料區(qū)別最大的一點。通過在石墨烯中引入吸收心產(chǎn)生電荷轉 移對費米能級的影響比在石墨烯兩端加電壓和增加其傳導率對費米能級的影響大幾個數(shù) 量級，精確地控制石墨烯中電荷的轉移對石墨烯的應用是至關重要的。對石墨烯進行化學 摻雜將引入吸收心，吸收心引起的電荷轉移能夠改變費米能級，這種方法在沒有引入任何 取代物質(zhì)的基礎上調(diào)控了石墨烯的費米能級，而且與費米能級的調(diào)控和摻雜濃度有關，通 過控制摻雜濃度可以控制石墨烯的費米能級。石墨烯費米能級的移動和G峰的位置成線性 關系，即通過石墨烯拉曼光譜的G峰峰值位置即可表征其費米能級。因此，如果能夠提供一 種裝置，通過對石墨烯進行溴蒸氣或碘蒸氣化學摻雜來調(diào)控石墨烯的帶隙，并且通過測量 摻雜石墨烯的拉曼光譜G峰峰值位置來表征石墨烯的費米能級，是本實用新型的任務所在。 【實用新型內(nèi)容】
[0006] 為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種調(diào)控和表征石墨烯帶隙的裝置， 對石墨烯進行溴蒸氣或碘蒸氣化學摻雜，石墨烯吸附溴離子和碘離子引入吸收心，吸收心 與石墨烯之間將發(fā)生電荷轉移，吸收心與石墨烯之間的電荷轉移影響其費米能級，通過控 制摻雜溴蒸氣或碘蒸氣的體積來調(diào)控石墨烯的費米能級，計算機控制系統(tǒng)利用G峰峰值位 置和石墨烯帶隙關系實時輸出石墨烯費米能級，從而達到調(diào)控和表征石墨烯帶隙的目的。
[0007] 為了達到上述目的，本實用新型的技術方案是:一種調(diào)控和表征石墨烯帶隙的裝 置，包括He-Ne激光器、第一全反鏡、第二全反鏡、第一分光鏡、第二分光鏡、透鏡、石墨稀、第 三全反鏡、濾光片、光譜儀、CCD(電荷耦合元件）、同步控制器、計算機控制系統(tǒng)和路由器，所 述He-Ne激光器的光路上設有第一全反鏡，第一全反鏡的反射光路上設有第二全反鏡，第二 全反鏡的反射光路上設有第一分光鏡，第一分光鏡的分光光路上分別設有CCD和第二分光 鏡，第二分光鏡的分光光路上分別設有透鏡和第三全反鏡，透鏡與石墨稀樣品相連接，CCD 與路由器相連接，路由器與計算機控制系統(tǒng)相連接;所述第二分光鏡與第三全反鏡相連接， 第三全反鏡的反射光路上設有濾光片和光譜儀，光譜儀與路由器、同步控制器相連接;所述 同步控制器分別與CCD、He_Ne激光器、石墨稀樣品、計算機控制系統(tǒng)相連接。
[0008] 所述石墨烯是放置在密封的透明玻璃空腔中的多層石墨烯，石墨烯是采用化學氣 化沉積法生長在銅片上，然后機械轉移到CaF玻璃基體上的石墨烯。
[0009] 所述He-Ne激光器是發(fā)出波長為632.8nm的He-Ne激光器，第一全反鏡和第二全反 鏡是對波長為632.8nm的光全反射的全反鏡；所述第一分光鏡是對自右向左的波長為 632.8nm的光全透、對自左向右的波長為632.8nm的光全反的分光鏡;所述第二分光鏡是對 波長為632.8nm的光全反、對其它波長的光全透的分光鏡。
[0010] 所述CCD為光電探測器，CCD的像素為1280X1024。
[0011 ] 所述濾光片是對波長高于632.8nm的光截止、對波長低于632.8nm的光透過的濾光 片。
[0012] 所述光譜儀為測量波段包含633 ± 50nm的光譜儀。
[0013] 本實用新型具有以下有益的技術效果：
[0014] 1、本實用新型利用石墨烯物理吸附溴蒸氣或碘蒸氣引起吸收心，吸收心和石墨烯 之間將產(chǎn)生電荷轉移，從而引起石墨烯帶隙發(fā)生變化，實現(xiàn)對石墨烯帶隙的調(diào)控，此裝置能 夠快速調(diào)控石墨烯帶隙，并給出石墨烯帶隙具體值，為打開石墨烯帶隙及其在半導體領域 的應用提供了一種行之有效的裝置。
[0015] 2、本實用新型在線監(jiān)測石墨烯的拉曼光譜，并把測量結果反饋給計算機控制系統(tǒng) 實時處理，利用石墨烯拉曼光譜G峰峰值位置表征石墨烯帶隙，根據(jù)處理的結果及用戶的實 際需要控制摻雜溴蒸氣和碘蒸氣的體積，大大提高了控制精度，而且操作方便、簡單。
[0016] 3、本實用新型采用He-Ne激光作為石墨烯拉曼光譜的激發(fā)光，使溴或碘電子的激 發(fā)降到了最低，其測量結果準確，并可根據(jù)處理的結果及用戶的實際需要控制摻雜溴蒸氣 和碘蒸氣的體積，為精確控制石墨烯的帶隙提供了可靠保障。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型的結構不意圖。
[0018]圖2為多層石墨烯溴蒸氣摻雜前的拉曼光譜。
[0019]圖3是多層石墨烯220mL溴蒸氣摻雜后的拉曼光譜。
[0020] 圖4是多層石墨烯拉曼光譜G峰峰值位置與溴蒸氣摻雜的體積關系曲線。
[0021] 圖5是多層石墨烯拉曼光譜G峰和2D峰強度比（G/2D)與摻雜溴蒸氣的體積關系曲 線。
[0022]其中，1是He-Ne激光器，2是第一全反鏡，3是第二全反鏡，4是第一分光鏡，5是第二 分光鏡，6是透鏡，7是石墨烯，8是第三全反鏡，9是濾光片，10是光譜儀，11是CCD，12是同步 控制器，13是計算機控制系統(tǒng)，14是路由器。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖，并通過具體實施例對本實用新型所述裝置作進一步詳細說明，但 它僅用于說明本實用新型的一些具體的實施方式，而不應理解為對本實用新型保護范圍的 任何限定。
[0024] 如圖1所示，一種調(diào)控和表征石墨烯帶隙的裝置，包括He-Ne激光器1、第一全反鏡 2、第二全反鏡3、第一分光鏡4、第二分光鏡5、透鏡6、石墨稀樣品7、第三全反鏡8、濾光片9、 光譜儀10、(XD11、同步控制器12、計算機控制系統(tǒng)13和路由器14。He-Ne激光器1的出射光路 上設有第一全反鏡2,第一全反鏡2的反射光路上設有第二全反鏡3,第二全反鏡3的反射光 路上設有第一分光鏡4,第一分光鏡4的分光光路上分別設有CCD11和第二分光鏡5,第二分 光鏡5的分光光路上分別設有透鏡6和第三全反鏡8,透鏡6與石墨烯樣品7相連接，CCD11與 路由器14相連接，路由器14與計算機控制系統(tǒng)13相連接。第二分光鏡5與第三全反鏡8相連 接，第三全反鏡8的反射光路上設有濾光片9和光譜儀10,光譜儀10分別與路由器14、同步控 制器12相連接。同步控制器12分別與CCDll、He-Ne激光器1、石墨烯樣品7、計算機控制系統(tǒng) 13相連接。
[0025]從He-Ne激光器1出射的激光脈沖經(jīng)第一全反鏡2反射后進入第二全反鏡3,經(jīng)第二 全反鏡3反射后進入第一分光鏡4，透過第一分光鏡4的光經(jīng)第二分光鏡5反射后，經(jīng)透鏡6聚 焦在放置在玻璃空腔中的石墨烯樣品7的表面，經(jīng)石墨烯樣品7表面反射的光經(jīng)第二分光鏡 5分光，一束經(jīng)第一分光鏡4反射進入(XD11，(XD11實時記錄石墨烯樣品7表面的圖像，并將 記錄的圖像送給計算機控制系統(tǒng)13,用于觀察He-Ne激光是否聚焦在石墨烯表面。計算機控 制系統(tǒng)13根據(jù)CCD11送來的圖像判斷激光是否聚焦在石墨烯樣品7表面，如果沒有聚焦在表 面，則通過同步控制器12改變He-Ne激光器1發(fā)出He-Ne激光聚焦點位置，直至聚焦到石墨烯 樣品7的表面。經(jīng)第二分光鏡5分光的另一束反射光入射到第三全反鏡8,經(jīng)全反鏡8反射后， 通過濾光片9進入光譜儀10,光譜儀10采集石墨烯拉曼光譜的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過路由器14 傳送給計算機控制系統(tǒng)13進行實時處理，計算機控制系統(tǒng)13根據(jù)石墨烯拉曼光譜G峰峰值 位置和帶隙的函數(shù)關系計算石墨烯帶隙并顯示，同時根據(jù)用戶的實際需求通過同步控制器 12控制摻雜溴蒸氣或碘蒸氣的體積。
[0026]本實用新型對石墨烯進行溴蒸氣或碘蒸氣化學摻雜，石墨烯吸附溴離子和碘離子 引入吸收心，吸收心與石墨烯之間將發(fā)生電荷轉移，吸收心與石墨烯之間的電荷轉移影響 其費米能級，通過控制摻雜溴蒸氣或碘蒸氣的體積來調(diào)控石墨烯的費米能級，而石墨烯拉 曼光譜G峰峰值位置的移動和帶隙成線性關系，通過測量石墨烯拉曼光譜，即可表征石墨烯 帶隙。同步控制器12分別與He-Ne激光器1、石墨稀樣本7、光譜儀10、(XD11和計算機控制系 統(tǒng)13相連接，路由器14分別與光譜儀10