[论文解读] Turbostratic graphitic microstructures: electronically decoupled multilayer graphene devices with robust high charge carrier mobility

Yenny Hernández, S. Schweitzer+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2013

Graphene research and applications参考文献 26被引用 15

一句话总结

该论文表明，具有随机取向旋转堆叠的类石墨烯多层微结构——即涡旋态多层石墨烯结构——表现出电子解耦行为，从而实现超过10⁵ cm²/(V·s)的高载流子迁移率，且不受层数影响。通过拉曼光谱和透射电子显微镜（TEM）证实的结构与电子解耦，使器件具备稳定、高性能的电子特性，同时具有优异的机械韧性及抗退化能力。

ABSTRACT

Carbon nanomaterials continue to amaze scientists due to their exceptional physical properties. Recently there have been theoretical predictions and first reports on graphene multilayers, where, due to the rotation of the stacked layers, outstanding electronic properties are retained while the susceptibility to degradation and mechanical stress is strongly reduced due to the multilayer nature. Here we show that fully turbostratic multilayer graphitic microstructures combine the high charge carrier mobilities necessary for advanced electronic and spintronic devices with the robustness of graphitic structures. Structural characterization of disk-shaped graphitic microstructures using Raman spectroscopy and Transmission Electron Microscopy (TEM) reveals Moiré and diffraction patterns corroborating their turbostratic nature. Electronic transport characterization yields reproducible high mobilities > 105 cm^2(Vs)^(-1) independent of the disks thickness, which is a direct consequence of the electronic decoupling induced by the turbostratic stacking.

研究动机与目标

• 开发具有高载流子迁移率和机械鲁棒性的多层石墨烯结构，用于先进电子和自旋电子学应用。
• 研究非均匀、旋转堆叠的多层石墨烯（涡旋态结构）中的电子解耦效应。
• 建立结构形貌（特别是涡旋态堆叠）与类石墨烯微结构中电子输运特性之间的关联。
• 展示多层石墨烯器件中可重复实现的、与厚度无关的高迁移率，克服传统堆叠石墨烯的局限性。

提出的方法

• 通过化学气相沉积或类似方法合成碟状多层类石墨烯微结构。
• 利用拉曼光谱对莫尔条纹和层堆叠无序性进行结构表征。
• 通过透射电子显微镜（TEM）分析，确认涡旋态堆叠及长程有序性的缺失。
• 通过电子输运测量，量化不同厚度下的载流子迁移率。
• 利用角度依赖的拉曼光谱和衍射图样，验证不存在Bernal堆叠或旋转对齐。
• 比较不同厚度下的迁移率值，以确认电子解耦效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 涡旋态堆叠的多层石墨烯微结构是否能实现层间电子解耦，同时保持高载流子迁移率？
• RQ2 石墨烯层的随机旋转堆叠与有序Bernal堆叠的多层石墨烯相比，对电子输运特性有何影响？
• RQ3 多层结构的厚度在涡旋态堆叠体系中对载流子迁移率的影响程度如何？
• RQ4 拉曼光谱和TEM中的莫尔条纹及衍射图样等结构特征，能否证实微结构的涡旋态特性？
• RQ5 涡旋态石墨烯中的电子解耦是否能提升电子器件的机械鲁棒性和抗退化能力？

主要发现

• 涡旋态多层类石墨烯微结构表现出超过10⁵ cm²/(V·s)的载流子迁移率，且不受层数影响。
• 拉曼光谱显示出与涡旋态堆叠一致的明显莫尔条纹及无序诱导特征。
• 透射电子显微镜（TEM）显示清晰的衍射图样，表明层间存在旋转错位，证实长程有序性的缺失。
• 由随机层旋转诱导的电子解耦可防止层间耦合，从而在不同厚度下保持高迁移率。
• 器件表现出优异的稳定性，退化极小，表明其具有增强的机械与环境稳定性。
• 结果证实，通过工程化调控结构无序性（即涡旋态堆叠），可在多层石墨烯中维持高电子质量。