马德里自治大学Julio Gómez-Herrero课题组–马德里自治大学–具有局部超高压的可调谐石墨烯电子器件

通过使用原子力显微镜(AFM)金刚石尖端施加超高压(> 10 GPa)，可以实现石墨烯有效掺杂的微调。石墨烯薄片中的特定区域在SiO₂衬底上不可逆地被压平。这项工作首次展示了具有纳米精度的、非常稳定且有效的p掺杂石墨烯区域的局部生成，并得到了一系列技术的明确验证。重要的是，掺杂强度单调取决于所施加的压力，从而可以对石墨烯电子器件进行控制调谐。通过这种掺杂效应，如导电AFM所示，超高压修饰包括选择性修饰石墨烯区域，以达到改善其与金属电极电接触性。密度泛函理论计算和实验数据表明，这种压力水平引发了石墨烯与SiO₂基板之间的共价键合。这一工作通过纳米分辨率的压力调整，为2D材料和范德华异质结构的电子调谐开辟了一条方便的途径。

Figure 1 SiO₂上原始石墨烯的表征和超高压改性。a)光学图像。b)在标记为(a)的点处获得的拉曼光谱，显示石墨烯特征峰。c)不同压力下在600×600 nm²的区域进行改性的AFM地形图。d)石墨烯-SiO₂距离随施加压力的变化。

Figure 2 局部有效掺杂。a)来自不同修饰区域的拉曼光谱G和2D峰。b)接触电位差(CPD)在不同区域的变化。c) 2D/G强度比(红色)、石墨烯-SiO₂距离变化(黑色)、费米能级位移(蓝色)与压力的函数。d)费米能级位移与石墨烯-SiO₂距离变化的函数。e) 2D/G强度比与电子浓度的函数。

Figure 3 扫描X射线光电子显微镜。a)在不同压力下修改的800×800 nm²区域的AFM地形图。b)在hν= 500 eV下拍摄，与(a)中相同区域的C 1s SPEM灰色图像(白色表示强度更高)。c,d) C 1s峰与施加压力的函数。

Figure 4 DFT计算。a)分析四种化学吸附构型，得到了达到化学吸附的压力势垒。b)超级电池几何优化后的侧视图(黑色：碳；红色：氧；蓝色：硅；绿色：氢)。c)几何优化后c原子的z值分布；水平网格线标记不具有H原子(vdW)和完全饱和表面(vdW H)的范德华吸引结构中C原子的平均z位置；图中的数字表示直方图中相应组中C原子的总数。

Figure 5 在35 GPa下导电-AFM的修饰区域。a)地形图。b)固定偏压0.6 V时的电流图。c,d)分别沿着(a)和(b)中的线的剖面图。(b)中的插图是电路的示意图。

相关研究成果于2019年由马德里自治大学Julio Gómez-Herrero课题组，发表在Adv. Funct. Mater.( https://doi.org/10.1002/adfm.201806715)上。原文：Tunable Graphene Electronics with Local Ultrahigh Pressure

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