一种调控和表征石墨烯带隙的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及光电子技术领域，具体涉及一种调控和表征石墨烯带隙的装置。
【背景技术】
[0002] 石墨烯是一种新型二维平面结构碳材料，自发现以来，其独特的分子结构和优异 的物理性能引起了学者和产业界的广泛关注。石墨烯具有高载流子迀移率、强导热能力、零 质量狄拉克-费米子行为、异常霍尔效应等一系列物理特性，在纳米光电子器件方面存在巨 大的应用潜力。然而纯石墨烯是一种零带隙的半导体，故在保持石墨烯高迀移率的前提下， 将石墨烯广泛应用于半导体领域，打开其带隙，使其变成具有一定带隙大小的半导体显得 尤为重要。目前，调控石墨烯带隙的方法主要有光刻法、边缘修饰、掺杂、引入外加电压、氢 化石墨烯、在不同基体上外延生长石墨烯等方法，其中化学掺杂是改变石墨烯半导体导电 性质最常用的方法。
[0003] 光刻法利用石墨烯带隙和样品宽度之间的函数关系调控带隙，但是，受光刻技术 的制约，要刻蚀得到更大宽度的石墨烯非常困难;边缘修饰法通过在石墨烯边缘带引入不 同边缘化学终端物来改变石墨烯的金属特性，这种方法针对的是石墨烯带;化学掺杂引入 的吸收心，在没有杂质原子取代碳原子的情形下实现了费米能级的调控。吸收心与石墨烯 之间的电荷转移可以在很大程度上调控费米能级。通过在石墨烯中引入吸收心产生电荷转 移对费米能级的影响比在石墨烯两端加电压和增加其传导率对费米能级的影响大几个数 量级。
[0004] 石墨烯拉曼光谱的D峰、G峰和2D峰在不破坏石墨烯的前提下表征了石墨烯的结构 和掺杂。D峰位于1355CHT1附近，是由K区边界附近声子呼吸振动模式A lg振动引起的，D峰是 离散的，随着激发光子能量的变化而变化，在完美石墨烯样品中是观察不到这个振动峰的， 只有当样品中出现缺陷时此峰才被激活。石墨烯2D拉曼峰是石墨烯布里渊区K点附近最高 光频支中两个相反动量的光子产生的。2D拉曼峰频率是散射光子频率的两倍，其形状、线宽 和位置直接反映了石墨烯电子带的结构，而这些电子带结构又同石墨烯原子层数有关。G峰 位于1580CHT 1附近，是由于石墨烯电子带布里渊区中心的双重简并模E2g引起的，其表征了 电荷迀移的程度。
[0005] 石墨烯作为一种特殊的金属材料，其费米能级在吸收和移除电子的时候将发生很 大的变化，这是与传统金属材料区别最大的一点。通过在石墨烯中引入吸收心产生电荷转 移对费米能级的影响比在石墨烯两端加电压和增加其传导率对费米能级的影响大几个数 量级，精确地控制石墨烯中电荷的转移对石墨烯的应用是至关重要的。对石墨烯进行化学 掺杂将引入吸收心，吸收心引起的电荷转移能够改变费米能级，这种方法在没有引入任何 取代物质的基础上调控了石墨烯的费米能级，而且与费米能级的调控和掺杂浓度有关，通 过控制掺杂浓度可以控制石墨烯的费米能级。石墨烯费米能级的移动和G峰的位置成线性 关系，即通过石墨烯拉曼光谱的G峰峰值位置即可表征其费米能级。因此，如果能够提供一 种装置，通过对石墨烯进行溴蒸气或碘蒸气化学掺杂来调控石墨烯的带隙，并且通过测量 掺杂石墨烯的拉曼光谱G峰峰值位置来表征石墨烯的费米能级，是本实用新型的任务所在。 【实用新型内容】
[0006] 为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种调控和表征石墨烯带隙的装置， 对石墨烯进行溴蒸气或碘蒸气化学掺杂，石墨烯吸附溴离子和碘离子引入吸收心，吸收心 与石墨烯之间将发生电荷转移，吸收心与石墨烯之间的电荷转移影响其费米能级，通过控 制掺杂溴蒸气或碘蒸气的体积来调控石墨烯的费米能级，计算机控制系统利用G峰峰值位 置和石墨烯带隙关系实时输出石墨烯费米能级，从而达到调控和表征石墨烯带隙的目的。
[0007] 为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是:一种调控和表征石墨烯带隙的装 置，包括He-Ne激光器、第一全反镜、第二全反镜、第一分光镜、第二分光镜、透镜、石墨稀、第 三全反镜、滤光片、光谱仪、CCD(电荷耦合元件）、同步控制器、计算机控制系统和路由器，所 述He-Ne激光器的光路上设有第一全反镜，第一全反镜的反射光路上设有第二全反镜，第二 全反镜的反射光路上设有第一分光镜，第一分光镜的分光光路上分别设有CCD和第二分光 镜，第二分光镜的分光光路上分别设有透镜和第三全反镜，透镜与石墨稀样品相连接，CCD 与路由器相连接，路由器与计算机控制系统相连接;所述第二分光镜与第三全反镜相连接， 第三全反镜的反射光路上设有滤光片和光谱仪，光谱仪与路由器、同步控制器相连接;所述 同步控制器分别与CCD、He_Ne激光器、石墨稀样品、计算机控制系统相连接。
[0008] 所述石墨烯是放置在密封的透明玻璃空腔中的多层石墨烯，石墨烯是采用化学气 化沉积法生长在铜片上，然后机械转移到CaF玻璃基体上的石墨烯。
[0009] 所述He-Ne激光器是发出波长为632.8nm的He-Ne激光器，第一全反镜和第二全反 镜是对波长为632.8nm的光全反射的全反镜；所述第一分光镜是对自右向左的波长为 632.8nm的光全透、对自左向右的波长为632.8nm的光全反的分光镜;所述第二分光镜是对 波长为632.8nm的光全反、对其它波长的光全透的分光镜。
[0010] 所述CCD为光电探测器，CCD的像素为1280X1024。
[0011 ] 所述滤光片是对波长高于632.8nm的光截止、对波长低于632.8nm的光透过的滤光 片。
[0012] 所述光谱仪为测量波段包含633 ± 50nm的光谱仪。
[0013] 本实用新型具有以下有益的技术效果：
[0014] 1、本实用新型利用石墨烯物理吸附溴蒸气或碘蒸气引起吸收心，吸收心和石墨烯 之间将产生电荷转移，从而引起石墨烯带隙发生变化，实现对石墨烯带隙的调控，此装置能 够快速调控石墨烯带隙，并给出石墨烯带隙具体值，为打开石墨烯带隙及其在半导体领域 的应用提供了一种行之有效的装置。
[0015] 2、本实用新型在线监测石墨烯的拉曼光谱，并把测量结果反馈给计算机控制系统 实时处理，利用石墨烯拉曼光谱G峰峰值位置表征石墨烯带隙，根据处理的结果及用户的实 际需要控制掺杂溴蒸气和碘蒸气的体积，大大提高了控制精度，而且操作方便、简单。
[0016] 3、本实用新型采用He-Ne激光作为石墨烯拉曼光谱的激发光，使溴或碘电子的激 发降到了最低，其测量结果准确，并可根据处理的结果及用户的实际需要控制掺杂溴蒸气 和碘蒸气的体积，为精确控制石墨烯的带隙提供了可靠保障。
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型的结构不意图。
[0018]图2为多层石墨烯溴蒸气掺杂前的拉曼光谱。
[0019]图3是多层石墨烯220mL溴蒸气掺杂后的拉曼光谱。
[0020] 图4是多层石墨烯拉曼光谱G峰峰值位置与溴蒸气掺杂的体积关系曲线。
[0021] 图5是多层石墨烯拉曼光谱G峰和2D峰强度比（G/2D)与掺杂溴蒸气的体积关系曲 线。
[0022]其中，1是He-Ne激光器，2是第一全反镜，3是第二全反镜，4是第一分光镜，5是第二 分光镜，6是透镜，7是石墨烯，8是第三全反镜，9是滤光片，10是光谱仪，11是CCD，12是同步 控制器，13是计算机控制系统，14是路由器。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图，并通过具体实施例对本实用新型所述装置作进一步详细说明，但 它仅用于说明本实用新型的一些具体的实施方式，而不应理解为对本实用新型保护范围的 任何限定。
[0024] 如图1所示，一种调控和表征石墨烯带隙的装置，包括He-Ne激光器1、第一全反镜 2、第二全反镜3、第一分光镜4、第二分光镜5、透镜6、石墨稀样品7、第三全反镜8、滤光片9、 光谱仪10、(XD11、同步控制器12、计算机控制系统13和路由器14。He-Ne激光器1的出射光路 上设有第一全反镜2,第一全反镜2的反射光路上设有第二全反镜3,第二全反镜3的反射光 路上设有第一分光镜4,第一分光镜4的分光光路上分别设有CCD11和第二分光镜5,第二分 光镜5的分光光路上分别设有透镜6和第三全反镜8,透镜6与石墨烯样品7相连接，CCD11与 路由器14相连接，路由器14与计算机控制系统13相连接。第二分光镜5与第三全反镜8相连 接，第三全反镜8的反射光路上设有滤光片9和光谱仪10,光谱仪10分别与路由器14、同步控 制器12相连接。同步控制器12分别与CCDll、He-Ne激光器1、石墨烯样品7、计算机控制系统 13相连接。
[0025]从He-Ne激光器1出射的激光脉冲经第一全反镜2反射后进入第二全反镜3,经第二 全反镜3反射后进入第一分光镜4，透过第一分光镜4的光经第二分光镜5反射后，经透镜6聚 焦在放置在玻璃空腔中的石墨烯样品7的表面，经石墨烯样品7表面反射的光经第二分光镜 5分光，一束经第一分光镜4反射进入(XD11，(XD11实时记录石墨烯样品7表面的图像，并将 记录的图像送给计算机控制系统13,用于观察He-Ne激光是否聚焦在石墨烯表面。计算机控 制系统13根据CCD11送来的图像判断激光是否聚焦在石墨烯样品7表面，如果没有聚焦在表 面，则通过同步控制器12改变He-Ne激光器1发出He-Ne激光聚焦点位置，直至聚焦到石墨烯 样品7的表面。经第二分光镜5分光的另一束反射光入射到第三全反镜8,经全反镜8反射后， 通过滤光片9进入光谱仪10,光谱仪10采集石墨烯拉曼光谱的数据，并将数据通过路由器14 传送给计算机控制系统13进行实时处理，计算机控制系统13根据石墨烯拉曼光谱G峰峰值 位置和带隙的函数关系计算石墨烯带隙并显示，同时根据用户的实际需求通过同步控制器 12控制掺杂溴蒸气或碘蒸气的体积。
[0026]本实用新型对石墨烯进行溴蒸气或碘蒸气化学掺杂，石墨烯吸附溴离子和碘离子 引入吸收心，吸收心与石墨烯之间将发生电荷转移，吸收心与石墨烯之间的电荷转移影响 其费米能级，通过控制掺杂溴蒸气或碘蒸气的体积来调控石墨烯的费米能级，而石墨烯拉 曼光谱G峰峰值位置的移动和带隙成线性关系，通过测量石墨烯拉曼光谱，即可表征石墨烯 带隙。同步控制器12分别与He-Ne激光器1、石墨稀样本7、光谱仪10、(XD11和计算机控制系 统13相连接，路由器14分别与光谱仪10