3月17日，澳门永利集团3044澳门永利集团3044邱锋副研究员在中国卓越行动计划高起点刊物eScience上发表研究论文“Insight into the underlying competitive mechanism for the shift of the charge neutrality point in a trilayer-graphene field-effect transistor”（论文链接：https://doi.org/10.1016/j.esci.2022.03.005）。该研究从实验上揭示了三层石墨烯非故意掺杂的竞争调控机理，即吸附分子（主要是氧气分子、水分子）与支撑衬底热注入电子的三因素竞争掺杂，调控着三层石墨烯电荷中性点电压的移动；进而提出了石墨烯竞争掺杂的调控机理模型；并从理论上证实了该模型。这为多层石墨烯的弹道输运调控及石墨烯基碳基微电子低功耗器件的开发，提供了实验指导与理论支撑。澳门永利集团3044研究生黄涛（实验部分）、丁家芬（理论计算部分）为共同第一作者，邱锋副研究员为通讯作者。

图1. 三层石墨烯场效应晶体管的原理图及其掺杂调控

二维材料的旋转“魔角”、 插层化学“魔距”、装配超晶格等层间调控与应用开发给多层二维材料的研究注入动力。而作为硅基集成电路的替代方案，如何开发高性能、低功耗的二维碳基器件，探索超越摩尔的微纳器件，开发石墨烯基集成电路等领域，一直是目前超摩尔定律时代亟需解决的瓶颈难题。其中，多层石墨烯的研究与开发均是在特定环境下进行的；而如何揭示其在特定背景下的非故意本征输运机理；研究多层石墨烯的输运与其层间的库伦作用、表面吸附的掺杂调控、虚拟支撑基底效应等的相互关系，为低功耗的碳基电子学研究奠定基础。

本论文实验发现三层石墨烯器件的电荷中性点电压随着温度与压强有显著的移动（物理本质是石墨烯的p型/n型掺杂调控）；即空气中的氧气与水分子可单独掺杂三层石墨烯，并与底层支撑衬底的热电子一起，共同构成对石墨烯的非故意掺杂调控（图1）。基于实验结果，采用干燥气氛模型与湿气氛模型，考虑器件在高真空与大气环境下的状态，建立石墨烯调制掺杂的机理模型（图2）。并采用第一性原理理论计算，证实氧气导致石墨烯的p型掺杂；而水分子不是显著的掺杂剂，但能增强氧气分子的吸附能力；而作为支撑功能的二氧化硅衬底，其热注入电子实现石墨烯的n型调控。因此，理论计算的结果支撑了实验结论，也验证了机理模型（图3）。

图2. 三层石墨烯竞争掺杂的机理模型

图3. 三层石墨烯竞争掺杂的第一性原理计算

该工作得到国家自然科学基金、云南省高层人才培养计划、云南省基础研究计划重点项目、澳门永利集团3044双一流成果转化重点项目等支持。近年来，该2D-X group团队在二维原子晶体与光吸收材料；新型光电探测器与太阳能电池；第一性原理及器件量子输运模拟、近红外单晶衬底生长等领域开展了系统研究，并在ACS nano、Carbon、ACS AMI、Solar RRL、ACS Appl. Electron. Mater. (期刊封面论文) 等国际著名期刊上发表多篇研究成果。　

供稿：澳门永利集团3044