高鴻鈞院士團隊Nano Lett.：直接四探針法測量毫米級石墨烯的晶界電阻率和遷移率

【引言】

石墨烯超常的力學、光學和電學性能使得其在場效應晶體管(FETs)、柔性和透明電極、化學/生物化學傳感器等領域具有廣闊的應用前景。然而，化學氣相沉積(CVD)法制備的大面積石墨烯往往具有多晶特性和晶界(GB)、褶皺等缺陷，嚴重阻礙了其實際的電子應用。石墨烯的電子結構在晶界等缺陷處會發生嚴重畸變，當載流子穿過時，會產生嚴重的散射，造成遷移率減小。因此，進行載流子穿過缺陷時的定量表征對石墨烯的大規模應用具有重要意義。傳統的表征手段主要是基于Hall條的四終端測量，基于幾何因素的考慮也發展了一些掃描探針顯微鏡(SPM)相關的技術，例如掃描隧道電位分析(STP)、交流靜電顯微鏡(AC-EFM)和開爾文探針顯微鏡(KPFM)。但是，至今尚未見無需Hall條的直接四探針測量技術。

【成果簡介】

近日，中國科學院物理研究所高鴻鈞院士和鮑麗宏副研究員(共同通訊作者)等人在Nano Lett.發表了題為“Direct Four-Probe Measurement of Grain-Boundary Resistivity and Mobility in Millimeter-Sized Graphene”的研究論文，報道了毫米級石墨烯晶界處電阻率和遷移率的直接四探針測量技術。研究團隊首先通過CVD法制備了毫米級的石墨烯樣品，然后利用超高真空(UHV)四探針掃描隧道顯微鏡(STM)實現了電阻率和載流子遷移率的直接測量，并根據歐姆定律建立了缺陷(晶界/褶皺)對載流子傳輸的影響模型，且通過實測進一步驗證了其有效性。通過對7個典型晶界的測量，發現其電阻率范圍從幾到100多kΩ·μm不等；缺陷區域的載流子遷移率下降到單晶純石墨烯的0.4~5.9‰；石墨烯褶皺對載流子傳輸的影響與晶界類似。

【圖文導讀】

圖1通過CVD法在Cu箔上生長的石墨烯的光學和STM照片

(a)Cu箔上石墨烯的光學顯微照片。其中可見單晶、雙晶和多晶的石墨烯片；

(b-c)Cu箔上石墨烯的大面積STM圖；

(d)圖(c)中所選區域的高倍STM圖。其中六方的網紋狀圖樣表明了Cu基體上石墨烯膜的連續性；

(e) 網紋狀圖樣的原子級分辨率STM圖。表明石墨烯樣品的連續性和高質量；

照相參數：(b) I_t=250 pA和V_sample=118.6mV；(c)I_t=358.6pA和V_sample=87.16mV；(d)I_t=600pA和V_sample=87.16mV；(e)I_t=800pA和V_sample=87.16mV。

圖2 SiO₂/Si基體上單層石墨烯的光學照片和拉曼光譜

(a)晶粒1(藍色虛線)和晶粒2(紅色虛線)組成的雙晶單層石墨烯的光學顯微照片。2個晶粒由1條晶界(深綠色點劃線)分開，晶粒2上的石墨烯褶皺由淺藍色箭頭標出；

(b)圖(a)中單層石墨稀1-3區域的拉曼光譜。激發波長為532nm的激光。

圖3 四探針測量的示意圖

(a-b)四探針分別對SiO₂/Si基體上石墨烯雙晶的左(晶粒2，紅色)、右(晶粒1，藍色)晶粒進行測量。晶界由深綠色箭頭指示。晶粒1、晶粒2的薄層電阻分別表示為R₁□和R₂□；

(c)跨越晶界的四探針測量。晶粒1和晶粒2在晶界處的聯并用深綠色箭頭指示；4個探針分別標識為1-4；“I”表示電流注入，“G”表示接地，“V”表示電壓。

圖4 跨越GB-1和褶皺的四探針測量

(a)晶粒內(藍色為晶粒1、紅色為晶粒2)和晶粒間(黑色，跨越GB-1)的薄層電阻與載流子密度的關系。插圖為跨越GB-1的四探針測量的光學顯微照片；

(b)不同載流子密度下，實驗數據(黑色)與擬合數據(橙色)的對比；

(d)晶粒2(紅色)和跨越石墨烯褶皺1(黑色)的薄層電阻率。左邊的插圖是四探針跨越褶皺測量的光學顯微照片，右邊的插圖是褶皺的高倍光學照片；

(e)實驗數據(黑色)和根據模型的計算數據(橙色)的對比；

(f)根據模型計算的褶皺電阻率。

圖5 GB-1的遷移率和晶界、褶皺的遷移率的總結

(a)GB-1電導率與載流子密度的關系。對電導率曲線進行線性擬合得到的空穴和電子遷移率分別用藍色和紅色的線表示；

(b)晶界和褶皺處的空穴和電子遷移率數值的總結。

【小結】

本文發展了石墨烯晶界/褶皺處電阻率和遷移率的直接四探針測量技術，然后根據歐姆定律建立了晶界/褶皺對電傳輸的定量影響模型，并通過實驗測量驗證了其有效性。該方法同樣適用于其他2D材料(如TMDCs)晶界處電阻率和遷移率的定量表征，有望打破石墨烯電子器件應用的限制因素。

文獻鏈接: Direct Four-Probe Measurement of Grain-Boundary Resistivity and Mobility in Millimeter-Sized Graphene (Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01624)

本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。

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