用于微波的石墨烯

December 2010 IEEE microwave magazine 81 现在，电子产品正朝着更快，更小，效率更高，且具有 成本效益的方向发展。为了做到这一点，在各种技术中 对现有材料的使用已经达到了极限程度。正因如此，猎 取具有全新的增强的特性，并且与现有工艺过程高度兼 容的新型材料正变得越来越重要。 在这个艰难的探索中， 石墨烯通过被证实的结果而表明它是一个具有代表意义的 主角，它似乎可以满足许多需求。它的特征是卓越的电气 和机械性能，同时与传统的制造技术也是非常兼容的。因 次，石墨烯可能会成为一种关键的可用材料，为具有与 前几十年硅基材料类似的成果和突破的新一代高速纳 米级电子产品铺平了道路。本文将试图涵盖这种令人 神往的材料的演进过程，从早期的观察开始，直到可以 预见其光明未来的实际微波应用。 石墨烯是什么呢？ 石墨烯是厚度仅为 0.34nm的单层石墨。它是由处于 SP2 杂化状态下的碳原子按照每个碳原子与其它三个碳原子 以共价键方式相键合而组成的。因此，石墨烯是具有 蜂窝晶格的一种平面纳米材料，而蜂窝晶格是由两 个互相贯通的三角形亚晶格所组成的[1]。在许多碳基 材料中都可以发现石墨烯。一个最简单的例子便是石墨， 它是由大量的单层石墨烯一层一层堆垛起来的。另一个例 用于微波 的石墨烯 Mircea Dragoman, Dan Neculoiu, Daniela Dragoman, George Deligeorgis, G. Konstantinidis, Alina Cismaru, Fabio Coccetti, Robert Plana __________________________________________________________________________________ Mircea Dragoman (mircea.dragoman@nano-link.net) and Alina Cismaru are with the National Institute for Research and Development in Microtechnology (IMT-Bucharest), P.O. Box 38-160, 023573 Bucharest, Romania. Dan Neculoiu is with Politehnica University of Bucharest, Electronics Dept., 1-3 Iuliu Maniu Av., 061071 Bucharest, Romania. Daniela Dragoman is with the University of Bucharest, Physics Dept., P.O. Box MG-11, 077125 Bucharest, Romania. George Deligeorgis, Fabio Coccetti, and Robert Plana are with LAAS CNRS, 7 Avenue du Colonel Roche, 31077 Toulouse Cedex 4, France. G. Konstantinidis is with the Foundation for Research & Technology Hellas (FORTH) P.O. Box 1527, Vassilika Vouton, Heraklion 711 10, Crete, Greece. IEEE microwave magazine December 2010 82 图1 基于石墨烯的场效应-晶体管式结构。 子是单个碳纳米管（CNT），它仅仅是一个卷起来的石 墨烯片而已。 石墨烯是一个二维（2-D）晶体并且其本身还是二 维带电粒子气体。在许多器件中，石墨烯是喷镀到在一 个掺杂硅基片上生长的通常为300nm的二氧化硅（SiO2） 层上的。在这种构架下，硅基片用作背栅（backgate）， 它可以移动石墨烯中的费米能极水平，并且产生 n = ε଴εୢ V୥ teൗ ≅ αV୥的表面电荷密度，其中ε଴是空气的介 电常数，εୢ是SiO2的介电常数，t是SiO2层的厚度，Vg是 栅极电压。 栅极诱导载流子（Gate-induced carrier）可以看作是 电掺杂造成的结果，与通常用在半导体器件中的化学掺 杂类似。因此，在石墨烯中，电子和空穴是通过向栅极 施加一个正电压或一个负电压而产生的。在向Si/SiO2结 构上喷镀石墨烯之后，在石墨烯上印刷出电极来实现一 些特定的器件。图1便示出了一个基于石墨烯的类似于 场效应管（FET）的结构。虽然这个结构非常简单，但 它可以用于许多石墨烯器件当中。 石墨烯是2004年首次被分离出来的，是通过一个胶 带将高度取向的热解石墨（ highly ordered pyrolytic graphite -HOPG）进行分离，将胶带移去后，在Si/SiO2上 释放出石墨薄片[2]。HOPG是由石墨烯在垂直方向上排 列而成的一个堆垛或三维（3-D）结构。剥离出来的 HOPG碎片被巧妙地控制，使其直接落到Si/SiO2界面上， 并且由于范德华力（Van der Waalls）的作用而无法在 Si/SiO2上移动。这看起来似乎是一种很初级的获取石墨 烯的方式，然而，到目前为止，这种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 被成功地用来 获取尺寸直到1mm的具有很低缺陷率的石墨烯薄片。 上述所介绍的制造方法还伴随着另一个与石墨烯可 见度相关的重要发现[3]。取决于SiO2的厚度[4]，如果入 射白光通过一个绿色，蓝色，或其它颜色的过滤器，石 墨烯在光学显微镜下是可见的。在这种条件下，采用一 个简单的显微镜便可以看见石墨烯，如图2(a)所示。目 前，虽然有众多方式来观察石墨烯[5]， 但是单层石墨烯 或由一层一层的石墨烯所组成的，如双层，三层，或多 层石墨烯等其它纳米结构，是可以通过显微镜利用光反 射和光学光谱对比而将它们很好地区分开来。甚至能够 以极高的准确度来确定它们的厚度[6]。 从采用胶带进行的石墨烯机械剥离开始，仅仅只过 了几年，在金属或半导体基片上生长石墨烯的方法已经 演进到一种尖端的化学蒸汽喷镀（CVD）技术了[7]。目 图2 石墨烯共面波导(a)石墨烯(Graphene Industries 公司 友情提供)，(b) 石墨烯共面波导，(c)不同直流偏置下的 散射参数，以及 (d) 可以直到65GHz的等效电路。 [(b) 和 (c) 是经过G. Deligeorgis, M. Dragoman,D. Neculoiu, D. Dragoman, G. Konstantinidis, A. Cismaru,以及R. Plana的 同意而转载的 , Appl. Physics Letters 95, no. 7, pp. 073107/1-3,Aug. 2009, Copyright 2009, American Institute of Physics.] December 2010 IEEE microwave magazine 83 前主要有四种方式来制备石墨烯（见表1）。第一种方 法是采用胶带对HOPG进行机械剥离，产量较低，但却 是至今为止质量最高的方法，第二种方法是在碳化硅 （SiC）基片上外延生长石墨烯，这种方法必须要加热到 高于10000C以上才能实施 [8]。第三种方法是基于石墨烯 氧化物（GO）基础上的，将石墨烯氧化物溶入肼溶液中， 然后喷镀在不同的基片上，成为均匀的含有单层或几层 石墨烯的薄膜[9]。最后一种在所有方法中从产品和可重 复性角度上讲似乎是最有前途的方法是，采用CVD技术 而生成的石墨烯。在这种技术的基础上，人们同样制作 了基于石墨烯的微机电系统（MEMS），并对其进行了 测试 [10]。CVD技术被成功地使用在从卷筒到卷筒 （roll-to-roll）的制作方式中，在柔软的铜基片上制作出 76.2-cm（30-in）的石墨烯薄膜，从而可用于柔软性电子 产品的应用中，如触摸式显示器，此时石墨烯被用作透 明电极[11]。 可以用丙酮和异丙醇等溶剂来清除石墨烯而不会对 其造成损伤。然而，必须要避免使用超声波振动和强腐 蚀性清洁剂。此外，用于半导体工艺的光刻或粒子刻版 技术也同样可以用于石墨烯器件。石墨烯具有惊人的物 理特性，通常被称作“奇迹材料”（ The wonder material）。在不同器件上所测得的室温下载流子的迁移 率为8,000-10,000cm2v-1s-1，但在悬浮式石墨烯中可以高 达200000cm2v-1s-1[12]。 弹道式载流子传输（ballistic carrier transport）的平均自由行程为300-500nm，而石墨 烯的电阻率极大地取决于栅极电压。对于小能级E来说， 石墨烯中的色散与电子和空穴是成线性关系的，并且有 一个很简单的公式E=±h|k|vF，其中，vF是费米速率， k=ikx+j ky，代表着电荷载流子的波数（wavenumber）。 这个线性色散关系是由在被称为狄拉克点（Dirac point） 处相交的两条线组成。在远离狄拉克点处，载流子的运 动是单极性的（Unipolar），而在狄拉克区，则是双极 性的，会产生强烈的复合（recombination）。 线性色散关系与光子在真空中的传播类似，但这个 关系的意义却是极不相同的。在石墨烯中，能量与波数 空间的线性关系意味着载流子的有效质量实际上为零， 因此，电子和空穴的传输是弹道式的，即，如果器件的 长度小于自由行程的话，则在器件中没有任何碰撞，在 这种情况下，载流子表现为波而不是粒子。这些波是慢 波，按照费米速率vF=106m/s≅c/300的速度传播。相反， 光子在真空中是以光速c传播的。电子和电磁波弹道传输 之间的相似性是常用于电子学，光电子学，和电磁学等 诸多领域中的一个很丰富的概念[13]。 此外，石墨烯被认为是已知材料中最硬的材料，具 有340N/m的弹性硬度（elastic stiffness）和1.5TPa的杨氏 模量[14]。表2总结了令人印象深刻的石墨烯的电气和机 械性能。接下来要介绍我们如何利用这些特性来推动微 波器件的进步。 基于石墨烯的微波器件 石墨烯是在晶体管[15]，自旋阀器件[16]，光电探测器 [17]，单-电子晶体管[18]，和太阳能电池领域中有关纳 米电子学的热门话题，然而，直到现在为止，它在微波 应用领域中的工作还鲜有报道。原因是，直到100GHz的 微波器件和电路是采用GaAs，SiGe，InP或高阻型硅来 制作的，这些都是在半导体制作厂家中所实施的成熟技 术。因此，微波器件和电路是基于上述半导体技术之上 的，而这些技术反过来也在快速地得到改善。 因此，虽然碳纳米管（CNT）器件已经有了长足的 进步[20]，甚至近来已经有人演示了纳米无线电[21]，但 诸如纳米粒子，纳米导线，以及CNT这样的纳米材料在 微波领域中并不普遍。微波领域内纳米材料，特别是 CNT缺失的另一个原因是，它们的阻抗大于10kΩ，因此， 这些材料很难与微波电路设备所要求的50Ω 相匹配。将 CNT阻抗减小到50 Ω的一个解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是采用介电电泳 （dielectrophoresis）来将数以千计的CNT并联排列，但 这种过程的重复率很低。因此，石墨烯也许可能成为替 代由数以千计，数目很难控制的纳米管所组成的单壁 CNT薄膜的可行性方案。例如，在文献[23]中，人们制 作了一个喷镀在石墨烯上的共面波导（CPW），可以在 直到65GHz下都具有共面波导的特性，文献[24]中，人 们开发了这个CPW的等效电路。图2（b）展示了CPW石 墨烯器件。 Graphene Industries公司所制备的一个单层石墨烯， IEEE microwave magazine December 2010 84 是放置在从n-掺杂硅基片上生长的一个300nmSiO2层上的。 这个单层是可以通过光学方式来加以识别的，如图2（a） 所示。一个石墨烯薄片对制作完整的CPW图形来说是太 小了，由于实验设备所要求的阻抗，即50Ω，以及 150µm的探头尖之间的间距，CPW的尺寸不能再小了。 为了解决这个问题，在石墨烯区，我们刻制了CPW的三 个电极以覆盖整个的石墨烯[见图2(b)]，并且在石墨烯区 域外，我们将电极在SiO2基片上放大以满足探头尖间距 的要求。制作CPW的技术相当复杂，它涉及了不同喷镀 技术和电子束刻版技术的组合。CPW石墨烯的主要几何 尺寸为：中心电极宽度为4.3µm；中心电极与接地电极 的距离为w=1.7µm；接地电极的宽度为8.4 µm。石墨烯 CPW的总长度大约为80 µm。S参数的测量结果显示出它 们会随着通过中心电极和接地电极而施加到CPW的直流 电压而发生移动。所施加的电压是从-2.5V 到+2.5V（正 极是加在CPW的中心导体上的）。从S参数的这些测量 结果中[见图2(c)]，人们提取了由一个电阻R 和与之相并 图3 Aachen Group 公司的石墨烯FET晶体管（图1来源于 文献[27]）。 联的电容C所组成的等效电路。我 们已经发现，这个电阻可以按照其 与所施加的直流电压的关系而在 30-300Ω的范围内进行调谐。而电 容大约是1 pF。这些结果在直到 7GHz的频率下都是有效的，这是 因为，在更高的频率下，掺杂硅基 片的损耗变得很高。最近，我们已 经用高阻性基片来替代掺杂硅基片， 在类似的偏置电压范围内， 当调 谐电阻在50Ω左右时，可在直到 65GHz下得到上述结果。然而，这 一次，当偏置电压在-6V到6V之间 时，电阻是在25-42Ω的范围内变动， 而电容则几乎保持不变， 大约为 60fF [见图2(d)]。 现在， 等效电路 在15-65GHz范围内都是有效的[23]。 石墨烯50Ω阻抗是由其物理特性决定的，更准确地 说，在二维气体状态（2-D gas）的石墨烯中，电导率是 量子化的（有一个有限的最小值）[25]，而在一个一维 气体状态的CNT中，电导是量子化的（按步长来变化）， 因此6.2kΩ的电阻步长是不能减小的。正因为如此，将 CNT堆垛（Packing）成高密度阵列或束捆已经成为旨在 降低电气互连阻抗的一个重要的研究课题。 由于石墨烯可以调谐到50Ω阻抗，因此它是可以在 微波应用中使用的纳米材料，明白了这一点后，我们已 经开始构建一个射频（RF）石墨烯晶体管[26]。目前， 石墨烯主要是用于FET器件。从原理上讲，第一种石墨 烯FET已经用作掺杂基片的栅极，如图1所示，但直到目 前为止，这种顶栅（Top-Gate）构架是人们所采用的主 要的构架方式。石墨烯是FET的沟道，在两个电极处终 止：源极（S）和漏极（D）。源极和漏极之间的电流是 由被一层介电材料与石墨烯相分离的栅极电极来控制的。 在我们所描述的第一种石墨烯晶体管中，是由AMICA和 Achen大学于2007年所报道的采用SiO2为电介质[27]的顶 栅石墨烯晶体管，如图3所示。在接下来的三年中，石 墨烯晶体管的截止频率已经从几个 GHz提高到 100GHz[28]。这都归因于制造技术的改善，从而可以减 小栅极长度，并且使用电介质，当向石墨烯进行喷镀时， 不会摧毁原子晶格，不会引入使迁移率降低的缺陷。此 外，在石墨烯薄片上制作的石墨烯FET现已被IBM团队 在文献[28]中所报道的在整个圆晶片上制作的石墨烯FET 而替代。人们可在文献[29]和[30]中找到其它有关微波用 FET石墨烯晶体管方面的重要成果。 我们的石墨烯FET晶体管示于图4(a)和(b)中。为了 制作这个晶体管，Graphene Industries公司将一个单层石 墨烯薄片喷镀到在高阻性硅基上生长的300nm的SiO2上。 有一个很奇怪的事实是，从HOPG上剥离下来的石墨烯 的质量超过外延生长法甚至CVD法制备的石墨烯，但对 此所作出的解释却是非常简单的。剥离式石墨烯是一个 天然石墨烯片，并且具有较低的缺陷率， 而采取任何方 December 2010 IEEE microwave magazine 85 法所生成的石墨烯则伴随着高得多的缺陷密度。 文献 [26]详细地介绍了我们 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的晶体管的制作过程，在此 不再赘述。它将不同的喷镀技术与电子束刻版相结合。 我们还使用了一种有机栅极介电材料 - 一层聚甲基丙烯 酸甲酯（PMMA）。石墨烯FET的相应尺寸为：栅极长 LG=200nm，源极-漏极之间的间隔距离L=2µm，源极/漏 极的宽为40 µm。在直到5GHz下，可以测得最大的稳定 增益大于1，而截止频率则要大8倍。截止频率值是在考 虑了这个特定的双栅极版本的几何尺寸后按照适用于 FET的传统定义来计算的。迁移率是根据漏极电流与栅 极电压的特性来确定的，在室温下为8,000cm2/Vs，距离 狄拉克点很远。这个值比在硅中的值要大8倍。 石墨烯在微波中的其它应用为倍频器[31]，虽然这 方面的进展比石墨烯FET的进展要慢得多。 结论 石墨烯纳米电子器件是一个新兴的研究领域。A.Geim和 K.Novoselov[1]由于发现了石墨烯出人意料的物理特性 而获得了2010年度的诺贝尔物理奖，从而为纳米电子学， 纳米光学，以及固体物理学领域中诸多新的应用铺平了 图4 (a)采用聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate） 作为介电栅极的微波石墨烯场效应管。(b)整个晶体管的 顶视图。（转载自文献[26] ，经许可后使用。Copyright 2010, American Institute of Physics。） 图5 图4所示的场效应管最大的稳定增益。 道路。研究最多的微波器件是石墨烯晶体管[15]，在经 过了仅仅三年的时间之后，其截止频率已经达到了 100GHz。这种令人惊讶的发展的结果是， 有关0.5- 1THz石墨烯晶体管很快就会出现这个预言不久将被证明 是相当现实的。此外，人们预期，石墨烯倍频器和其它 微波石墨烯器件将会跟随石墨烯FET的开发势头，在几 年之后便可以达到100GHz。 致谢 作者在此感谢由罗马尼亚教育和研究部（Ministry of Education and Research of Romania）以及欧洲 LEA SMART MEMS实验室(European Laboratory LEA SMART MEMS )对NANO-HF项目所提供的经费支持。Alina Cismaru还要感谢区域运作 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 人力资源开发项目 （ Sectoral Operational Programme Human Resource Development-SOPHRD）在 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 POSDRU/89/S/63700中 所给予的支持。作者感谢Graphene Industries公司制备了 他们在研究中所使用的石墨烯。 参考文献 [1] A. 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