室温下石墨烯的霍尔效应实验研究

室温下石墨烯的霍尔效应实验研究 第卷第期 . . 发 光 学 报 年月 ., 文章编号: 室温下石墨烯的霍尔效应实验研究 安 楠,白 浪,李小俊,李渭龙,任兆玉 西北大学光子学与光子技术研究所,陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地,陕西西安 摘要:对用化学气相沉积法研制的长、宽均为. ,厚度为个原子层尺寸的石墨烯样品,进行了 室温下的霍尔效应相关研究。实验中电极与石墨烯之间有良好的欧姆接触。通过范德堡法测量了样品在磁 场强度为. ,不同电流强度下的霍尔电压,并对结果进行处理分析,得到石墨烯的霍尔系数。.× /。 。/、载流子浓度.ד/、霍尔元件乘积灵敏度.× 关键词:石墨烯;测量;霍尔效应 分类号:. 文献标识码: :./., , , ?,『?, 。 ,, ,,:.. :. . , . . .. , . .×? .×/ /,.× /. :;; ~ 焦点。石墨烯的典型迁移率为 引 言 ~?~。石墨烯中的电子采用狄拉克方程描 石墨烯是由轨道杂化的碳原子构成的单 述,在布里渊区,将电子近似地认为 是光狄拉克费 层二维正六边形元胞紧密蜂窝式结构晶格。自 米子,有效质量为零.传输速度大约是光子速度的 年被发现以来。石墨烯所具有的很多超越单 /。若将其迁移率上限约束为 层石墨的独特性质一直是科研人员关注和研究的 ~?一,则其电阻率比铜或银的更低,只有 . 收稿日期:.一:修订日期:. 基金项目:国家自然科学基金,,;陕西省教育厅科研计翅,,资助项目 作者简介:安楠一,女,陕西渭南人,主要从事电磁作用下载流子行为的研究。 ?:. 万方数据发 光 学 报 第卷 大约“?,电子输运速度极快,因此石墨 电极之间用主要成分为石墨的导电胶连接,以实 烯的迁移率具有达到 ?~?。的潜 现石墨烯与电极之间形成良好的欧姆接触,并且 力,比硅的迁移率大倍。基于这一点.石墨 在实验过程中为了保证测量的可靠性与科学性, 烯将成为可实现半导体灵敏器件的核心材料。现 应尽可能地缩小电极与样品接触点的大小。 在测量过程中.石墨烯的个电极依次在一 在已经证明,在室温下,石墨烯还具有量子霍尔效 应【和双极性电场效应;在温度 以下,石 对相邻的电极之间测电流,另一对相邻电极之间 墨烯具有反常量子霍尔效应引。由此,石墨烯 测电压,如电流,。:与电压%相对应,,,与以,相 可以以霍尔效应为基础用于霍尔元件。 对应。实验结果如图所示,样品未加 磁场时,其 本文对个原子层厚度的石墨烯的电阻率、 伏安特性曲线为过原点的直线, 表明实验中的电 霍尔效应进行了研究。通过范德堡法测量了样品 极与石墨烯形成了良好的 欧姆接触。并且根据 公式‘ 的霍尔电压,计算得到石墨烯的霍尔系数 .×~/、载流子浓度.×酽/、 .. 面。?? ?玎躲川, /。 霍尔元件乘积灵敏度.× 计算出本实验样品石墨烯的具体电阻率为.× 实 验 “?。其中,为样品厚度;,戈为范德堡 因子.其取值在薄膜的情况下为。 .实验材料和设备 石墨烯由西北大学光子所光电功能研究小组 提供,用法镀于载玻片上。长. ,宽 . ,厚个原子层。电极为根铜丝,直径 . 。长度. 。导电胶用于铜丝与石墨烯 之间的连接,由上海浦东兴科公司生产。稳压电 源采用宁波中策电子有限公司生产的型号为 的 可调式直流电源,精度为. 。检流计使用的是杭州大华仪器制造有限公司 生产的一型直流检流计,精度为. 。 图电极与石墨烯的接触特性曲线 实验中使用块均匀强磁铁,其长、宽均为 ,. 厚度为. ,正方面为磁极。实验中使用的特 斯拉计力田磁电技术应用研究所生产的旬型 ..霍尔效应的测量 数字特斯拉计,精度为. 。 范德堡法是用来测量任意形状、厚度均匀 .实验过程 的薄膜霍尔效应的常用方法。实验根据范德堡原 .. 电极接触生检测 理测量霍尔系数、电子浓度和霍尔元件乘积 方形石墨烯的个角分别引出个电极。如 灵敏度,在测量过程中采用电流和磁场换向对 图所示。石墨烯又称单层石墨,所以石墨烯与 称测量法如表所示,其目的是从实验结果中 除去实验过程中的副效应影响。 \ ? 。 表 电流和磁场换向对称测量法 ? ? ? 图 电极与样品连接原理图. ? 万方数据 第期 安楠,等:室温下石墨烯的霍尔效应实验研究 图为范德堡法测量霍尔效应原理图。实验 于纯硅的电子迁移率 ?~?。。 中,外磁场沿戈轴方向,强度为. ,其中一对 石墨烯是碳原子以印杂化连续的单原子层组成 角电极如、电极测量电流,另一对角电极如 的一种新型晶体,剩余一个轨道上的电子在其 垂直平面上形成一个键,叮『电子可以自由移 、电极测量霍尔电压,通过以下公式可计算出 霍尔系数、载流子浓度和霍尔元件乘积灵敏度: 动,这样便会赋予石墨烯良 好的导电性。因此,石 墨烯可用于制备高速晶体管。巴斯夫和沃尔贝克 尺。百?了, 公司已经研制出了用于导电涂层的高传导石墨 烯,这为石墨烯在电子工业中的应用铺平了道路。 ’ 一表’ 美国研究人员发明了一种石墨烯和碳纳米管的混 合材料,称之为介孔石墨烯,将以其为基础制作半 妊两. 导体集成电路引。 表石墨烯霍尔效应测量结果/ ? , ./ .一 。.一‘ 图范德堡法测量霍尔效应原理图 结果与讨论 应用此方法测得石墨烯的各种霍尔参数。实 验数据与计算结果如表所示,应用公式、 、分别求得霍尔系数为.×。 /、 载流子浓度为.×/、霍尔元件乘积灵 .敏度为.× /、迁移率为 结 论 ~一。在载流子浓度的计算过程中,考虑到 应用范德堡法测量了石墨烯的霍尔参数,结 。一 载流子的速度统计分布,凡需要引入半的修正因 . . 果显示石墨烯的载流子迁移率为 子 。结果表明石墨烯的霍尔系数比目前应用 ~?~,超过了目前所承认的的最大 载流 较为广泛的半导体硅霍尔系数.ב 子迁移率。随着对石墨烯各项特性的不断深人研 /?小个数量级。石墨烯特性介于导体与半 究,石墨烯终将成为新一代电子 元件的核心原材 导体之间。载流子浓度比硅的载流子浓度.× 料,其具有的优越性和独特性将会为电子工业带 /大个数量级。其迁移率在常温下大 来更大的效益。 参考文献:. ..,,:. .? ? ....,,: .. 万方数据