石墨烯-纳米金刚石异质结大电流器件

自十多年前，通过机械剥离获得单层石墨烯至今，二维材料已经在科研与产业界受到了极大的关注。除了石墨烯，二维材料还有六方氮化澎、过渡金属二硫化物以及最近发现的富磷材料。其中，石墨烯具有高的热导率、机械强度、载流子迁移率，并能与大部分衬底此材料集成加工，因而备受关注。但石墨烯的零带隙阻碍了其在电子器件中的应用。研究人员通过纳米带的加工，石墨烯的氢化处理以及双层石墨烯等来克服这一问题，这些方法可在石墨烯中引入可调制的带隙，但往往也会导致石墨烯电学性能的严重退化。另外，支撑衬底的使用是很多二维器件加工中不可避免的，寻找优化的支撑衬底，也成为了提高石墨烯器件电学特性的另一有效方案。已有研究证明，常用的二氧化硅衬底，其热电容效应使在上面制备的器件的最大电流受到限制；但与二氧化硅绝缘衬底相比，类金刚石具有较好的热导率、电绝缘性、较大的光声子能级以及潜在的较低的表面陷阱密度，更适合做石墨烯的支撑衬底。

最近，伦敦大学学院伦敦纳米中心的Fang等，在氢化纳米金刚石彻底上制备了顶栅石墨烯大电流器件。其过程包括：（1）纳米金刚石单层膜衬底的制备，通过超声分散-干燥，获得 SiO2/Si衬底上单层膜，这一技术的中，单层纳米金刚石的表面粗糙度也是至关重要的因素；（2）纳米金刚石膜的氢化处理，通过氢化热处理来降低表面陷阱，提高结构的稳定性；（3）石墨烯至氢化纳米金刚石单层膜衬底的转移；（4）顶栅器件的加工，采用了ALD生长栅绝缘层，通过聚焦离子束诱导的化学气相沉积制备电极。与SiO2衬底比较，器件的电子输运性能提高了60%。相关成果发表在近期Scientific Reports |5:13771 | DOI: 10.1038/srep13771上。

图1：石墨烯-纳米金刚石异质结构及其材料特性。

图2：氢化纳米金刚石与单晶金刚石上石墨烯霍尔特性。

图3：石墨烯-纳米金刚石异质顶栅FET器件及其特性。