【正文】 運特性；探討外場調(diào)控下，SiC襯底的響應(yīng)行為和微觀機理。建立石墨烯載流子輸運的基礎(chǔ)理論模型，研究二維材料中聲子、缺陷和晶界對輸運的影響。研究進度2012年：初步建立第一性原理方法研究SiC表面外延石墨烯生長的理論框架，構(gòu)建不同大小尺寸碳團簇在SiC襯底的原子模型，得到不同尺寸下穩(wěn)定的碳團簇模型，計算碳團簇形成石墨稀的成核勢壘、成核尺寸以及成核速率等生長參數(shù)，從理論上獲得石墨烯生長的微觀機制。2013年：構(gòu)建石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及功能化石墨烯的理論模型，模擬其生長過程，探討其生長機理，總結(jié)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性同寬度、厚度以及邊緣形狀的關(guān)系；探討缺陷存在形式及其對石墨烯基功能材料電子輸運性質(zhì)等特性的影響規(guī)律。將理論計算結(jié)果與實驗進行對比，修正理論模型。2014年：研究石墨烯的特征電子結(jié)構(gòu)，局域電、磁性質(zhì)，以及光學(xué)特性，包括光學(xué)吸收和反射性質(zhì)、拉曼散射和電子聲子耦合效應(yīng)，以及電學(xué)輸運性質(zhì)和熱電性質(zhì)的研究；總結(jié)石墨烯的輸運性質(zhì)、光電性能及其性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，分析石墨烯材料的晶格振動、電導(dǎo)率、深能級缺陷、載流子的濃度和遷移率的變化。2015年：研究石墨烯與SiC襯底相互作用形式，分析相互作用機理；研究襯底上石墨烯幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及能帶結(jié)構(gòu)、電荷密度等電子結(jié)構(gòu)改變規(guī)律，探討襯底上石墨烯的電子輸運特性。結(jié)合實驗現(xiàn)象，通過調(diào)控襯底微結(jié)構(gòu)及對襯底進行功能修飾來實現(xiàn)對石墨烯電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，在此基礎(chǔ)上，探討外場調(diào)控下襯底的響應(yīng)行為和微觀機理。通過將理論計算結(jié)果與實驗現(xiàn)象相比較，不斷完善理論結(jié)果，認(rèn)真總結(jié)，準(zhǔn)備結(jié)題。成果形式從理論層次上對石墨烯的生長機理予以解釋，總結(jié)其幾何結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)，得出石墨烯與襯底的相互作用規(guī)律，為石墨烯的制備以及新型石墨烯原型器件的構(gòu)建及應(yīng)用探索提供理論解釋與指導(dǎo)；培養(yǎng)和造就一批高層次的研究人才，培養(yǎng)博士研究生3名以上；提供中國國防科技報告（GF報告）一項；發(fā)表10篇以上SCI學(xué)術(shù)論文。建議承擔(dān)單位清華大學(xué)，山東大學(xué)課題2名稱：晶片級高質(zhì)量石墨烯材料關(guān)鍵技術(shù)研究課題研究目標(biāo)及主要技術(shù)指標(biāo)課題研究目標(biāo)研究46英寸SiC襯底片化學(xué)修飾和表面處理對石墨烯特性的影響機理。進行適宜溫場設(shè)計，研究工藝參數(shù)對晶片級SiC襯底上石墨烯結(jié)構(gòu)及均勻性的影響，揭示外部因素與石墨烯特性之間的內(nèi)在關(guān)系。建立較完備的石墨烯材料表征體系。 主要技術(shù)指標(biāo)46英寸SiC襯底片經(jīng)過化學(xué)機械拋光后，有規(guī)則的原子臺階，；TTV小于10um，Bow小于20um；生長出的石墨烯材料載流子霍爾遷移率大于20000cm2/Vs；46英寸全晶圓尺寸內(nèi)石墨烯材料覆蓋率大于90%，最大石墨烯有效面積1000mm2。主要研究內(nèi)容（1）大直徑SiC襯底的表面處理工藝探索適合生長石墨烯的SiC襯底的表面處理工藝，主要包括優(yōu)化化學(xué)機械拋光工藝，消除表面劃痕和亞損傷層，降低表面粗糙度，為石墨烯制備打下基礎(chǔ)；研究不同表面處理工藝對石墨烯結(jié)構(gòu)和特征的影響規(guī)律。（2）理論模擬設(shè)計石墨烯的適宜生長溫場理論模擬在超高真空或在氬氣氣氛中的高溫爐中生長石墨烯，設(shè)計出最佳的溫場，調(diào)控出適宜的生長工藝參數(shù)，建立SiC襯底上碳原子重構(gòu)的模型，并分析機理。（3）晶片級石墨烯生長工藝方法分別利用高溫退火并輔助Si束流的方法在SiC襯底表面生長石墨烯，系統(tǒng)研究不同退火時間和退火溫度對石墨烯材料形貌和結(jié)構(gòu)的影響，并不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，控制層數(shù)，提高石墨烯材料的均勻性。（4）不同類型SiC襯底石墨烯生長方法SiC襯底具有不同的偏角，如偏向（1120）4176。、8176。及正向，SiC襯底是極性晶體，有Si面和C面兩個極性面，研究SiC襯底不同偏角、不同極性面上石墨烯的生長條件；研究石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能與SiC基底的晶型、晶向、導(dǎo)電類型的關(guān)系；研究石墨烯的特征與生長工藝參數(shù)的關(guān)系，總結(jié)可控制備大面積、高質(zhì)量石墨烯的規(guī)律；研究SiC襯底與石墨烯的界面特性，探索石墨烯在不同固體表面的轉(zhuǎn)移機制。（5）面向應(yīng)用的石墨烯材料工藝控制研究研究通過基于溫度場優(yōu)化設(shè)計的系統(tǒng)工藝控制，在24英寸全晶圓尺寸SiC襯底上的石墨烯膜制備的均勻性與可重復(fù)性，這對材料未來的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。（6）大面積晶片級石墨烯材料新型制備方法探索 對68英寸Si/3CSiC復(fù)合襯底上進行全晶圓石墨烯材料制備的研究，這對制備大面積石墨烯材料，提高與硅工藝的兼容性具有重要意義。 研究在真空熱解法的基礎(chǔ)上采用加入鹵化物的方法，加快石墨烯的形成速度，降低制備工藝的溫度。 通過采用Cu襯底的表面催化和自限制機制，研究開發(fā)大面積單層石墨烯的外延生長技術(shù)。利用Si/SiOSi/HfOSiC襯底及PET柔性襯底，研究大面積石墨烯的無損轉(zhuǎn)移技術(shù)，以及石墨烯與襯底間相互作用的基礎(chǔ)研究。 通過研究不同注入能量和不同注入劑量來控制過渡族金屬薄膜中C的分布；并根據(jù)石墨烯生長的具體條件，建立模型模擬注入?yún)?shù)； 石墨烯的MOCVD生長包含過渡族金屬生長、高溫退火、C的固溶和C的析出四個關(guān)鍵過程。針對以上四個過程，重點開展反應(yīng)腔、氣體輸運模式與方法以及自動控制模式與方法等創(chuàng)新性研究，滿足石墨烯生長需要。（7） 石墨烯結(jié)構(gòu)及輸運性質(zhì)表征體系從現(xiàn)有文獻來看，目前還沒有一套統(tǒng)一的、完善的體系和方法來確定外延生長graphene的物理特性。對于旨在制備graphene基電子器件而言，外延graphene表面形貌、有序性、層數(shù)（厚度）等均是影響電子遷移率的主要因素。一些組合的測試手段可以非常清晰的確定其相關(guān)特征。此外測試和表征結(jié)果的反饋也對整個工藝優(yōu)化過程具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值。我們研究的內(nèi)容有以下幾個方面： 如何確定的graphene的層數(shù)和厚度 外延生長graphene的有序性和表面形貌研究 載流子的遷移率表征 測量摻雜濃度制備出的石墨烯材料的層數(shù)對材料的電學(xué)及其他物理特性影響很大，同時對制備過程中加熱時間等工藝參數(shù)的確定具有重要的反饋意義，因此如何確定的SiC襯底上石墨烯的層數(shù)和厚度是我們在表征體系中首先要關(guān)注的問題。熱解法制備的SiC表面的石墨烯的有序性和表面形貌表征對于評價材料的質(zhì)量具有重要意義，同時對后續(xù)器件的制備有很大影響，這也是我們在建立表征體系的過程中需要重點關(guān)注的問題。石墨烯材料的一個非常重要的優(yōu)勢就是載流子的遷移率很高，制備的材料的載流子遷移率是考核材料是否合格的主要指標(biāo)，對其的表征表征需要設(shè)計合理的測試結(jié)構(gòu)和測試方案，要求測試結(jié)果準(zhǔn)確，測試方法簡單易行。測量石墨烯材料的熱導(dǎo)率、摻雜濃度等其他重要物理特性也是表征體系中的重要組成部分，其測試方法對整體材料生長質(zhì)量和工藝合理性的評價具有重要意義。超高真空低能電子衍射顯微鏡可以對石墨烯生長過程進行原位的觀測，并分析出石墨烯生長過程中的表面結(jié)構(gòu)，低能電子衍射譜還可以表征表面的化學(xué)組分，從而達(dá)到對石墨烯生長過程和表面結(jié)構(gòu)的全面理解。石墨烯的輸運性質(zhì)對器件影響較大，主要通過掃描隧道顯微鏡表征。掃描隧道顯微鏡是石墨烯表面形貌分析的重要手段。它不僅可以表征表面形貌，石墨烯的均勻度和原子結(jié)構(gòu)，還可以通過掃描隧道譜分析費米面附近的電子結(jié)構(gòu)，為進一步輸運性質(zhì)的研究奠定基礎(chǔ)。石墨烯輸運性質(zhì)的研究是實現(xiàn)器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于石墨烯載流子類型和濃度對周圍化學(xué)氣氛十分敏感，要獲得本征性質(zhì)，多探針的測試平臺必須在高真空或超高真空中完成。測試平臺的搭建是測量材料和器件本征性質(zhì)的關(guān)鍵。四探針的掃描隧道顯微鏡不僅可以進行常規(guī)四探針的輸運測量，還可以對表面形貌，原子結(jié)構(gòu)進行表征。最近我們實現(xiàn)的掃描隧道電勢顯微鏡還可以對石墨烯局域的輸運進行研究。可以研究表面形貌，層厚變化，晶界和磁場對石墨烯輸運的影響。研究進度2012年：優(yōu)化生長石墨烯的各類SiC襯底的拋光工藝，提高表面加工質(zhì)量，消除表面缺陷，提高晶片平整度，降低表面粗糙度，消除表面劃痕和亞損傷層，為石墨烯的生長制備良好的SiC基底。2013年：采用模擬軟件理論模擬SiC表面硅原子的脫離和碳原子的重構(gòu)，并找到適合生長石墨烯的溫場。建立石墨烯生長和檢測平臺，探索石墨烯生長的適宜的溫場條件，并生長出石墨烯材料。完成石墨烯生長過程中，低能電子衍射顯微鏡和低能電子衍射譜的原位表征；建立石墨烯在SiC表面生長模型；完成測試平臺的設(shè)計和論證。2014年：研究正向SiC襯底的預(yù)處理方法，不同退火時間、升降溫速率對石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的影響。優(yōu)化生長工藝參數(shù)，做到層數(shù)可控、規(guī)整均勻。實現(xiàn)高效率、小批量的高性能的國防急需的石墨烯材料的制備。完成石墨烯最優(yōu)化生長條件的摸索；完成石墨烯表面形貌，原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的研究；完成輸運測試平臺的搭建。研究不同SiC襯底的偏角和極性面上石墨烯各自的生長條件。分別分析以臺階流方式和螺位錯方式生長的SiC襯底上石墨烯的形成機理。掌握不同極性面石墨烯的形成規(guī)律。研究SiC襯底與石墨烯的界面特性。2015年：建立SiC襯底上碳原子重構(gòu)的模型，并分析機理。生長的石墨烯提供給下游器件用戶使用，根據(jù)用戶的反饋結(jié)果，不斷優(yōu)化工藝，提高質(zhì)量。利用原位輸運測量系統(tǒng)，完成石墨烯表面輸運性質(zhì)的測量。分析SiC襯底上晶體本身缺陷和表面加工缺陷對石墨烯質(zhì)量的影響。不斷完善理論模擬和工藝參數(shù)，認(rèn)真總結(jié)，準(zhǔn)備結(jié)題。成果形式獲得國防可用的、高性能、結(jié)構(gòu)規(guī)整、均勻性好的石墨烯材料；通過系統(tǒng)的理論研究結(jié)合儀器表征手段，進一步測試和完善材料的性能；培養(yǎng)和造就一批高層次的研究人才，形成1個在相關(guān)領(lǐng)域有國際影響的研究團隊；申請發(fā)明專利310項。提供中國國防科技報告（GF報告）一項。通過吸收青年教師及研究生參加本項目的研究，培養(yǎng)一批青年人才，在項目實施期間培養(yǎng)博士2名以上。建議承擔(dān)單位山東大學(xué)，清華大學(xué)，西安電子科技大學(xué)課題3：毫米波石墨烯場效應(yīng)管制備技術(shù)研究課題研究目標(biāo)及主要技術(shù)指標(biāo)課題研究目標(biāo)研究石墨烯電子器件載流子輸運特性和器件理論，進行器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真，建立高頻石墨烯器件的理論模型；研究石墨烯器件制備的關(guān)鍵技術(shù)問題，包括：石墨烯圖形的制備問題，石墨烯和SiC界面結(jié)構(gòu)問題，石墨烯的結(jié)構(gòu)缺陷對器件噪聲等電學(xué)性能的影響等；突破石墨烯的歐姆接觸、低損傷介質(zhì)淀積等關(guān)鍵工藝技術(shù)；設(shè)計并制作結(jié)構(gòu)新穎的毫米波低噪聲石墨烯射頻場效應(yīng)晶體管。主要技術(shù)指標(biāo)：研制石墨烯場效應(yīng)晶體管：截止頻率fT 為100300GHz；U波段典型的噪聲系數(shù)為24dB。研究內(nèi)容：SiC襯底上石墨烯器件設(shè)計結(jié)合SiC襯底上石墨烯材料的特性，設(shè)計合理的器件原型結(jié)構(gòu)，原則上采用FET結(jié)構(gòu)，能夠從器件角度驗證材料特性和體現(xiàn)材料優(yōu)勢。在金屬/石墨烯電學(xué)接觸，有效的可控?fù)诫s，柵介質(zhì)的形成，圖形化技術(shù)以及刻蝕等具體工藝方面，石墨烯材料都有其獨特之處。我們要開展針對關(guān)鍵工藝的研究，并在此基礎(chǔ)上，針對設(shè)計的器件結(jié)構(gòu)整合工藝流程，把關(guān)鍵工藝的研究成果體現(xiàn)在器件制備的過程中，從而為制備出性能優(yōu)良的器件服務(wù)。研究材料特性與器件性能之間的關(guān)系，為材料制備和器件制造提供一定理論指導(dǎo)。石墨烯能帶剪裁大面積本征石墨烯材料沒有帶隙，如下圖所示，因此很難體現(xiàn)出良好的開關(guān)效應(yīng)。引用雙層石墨烯加垂直偏壓配置，及石墨烯納米帶剪裁都可以在石墨烯中引入帶隙。通過熱分解法在4HSiC(0001)硅面上生長的未經(jīng)氫氣氣氛退火石墨烯薄膜。角分辨光電子能譜（Angleresolved photoemission spectroscopy，ARPES）分析表明這個帶隙隨著石墨烯的層數(shù)增多而減少，當(dāng)石墨烯層數(shù)超過4層時這個帶隙將會消失。因此精確控制石墨烯的層數(shù)對石墨烯FET器件的制作非常重要，目前HRL實驗室和IBM采用SiC（0001）硅面生長的石墨烯薄膜材料，將FET器件開關(guān)比提高至10以上。但是SiC(0001)硅面生長的未經(jīng)氫氣氛退火的石墨烯薄膜載流子遷移率很低，要提高載流子遷移率必須對薄膜進行氫退火處理，進行氫退火工藝之后，該帶隙會消失。因此需要考慮用其他方式引入帶隙。大面積石墨烯薄膜（i），石墨烯納米帶（ii），無偏置雙層石墨烯薄膜（iii）及加偏置石墨烯薄膜（iv）的能帶示意圖通過上圖可以看出未加電壓偏置的雙層石墨烯沒有帶隙，但是可以通過在垂直方向施加電壓來產(chǎn)生帶隙，在（13）107 V cm1的電壓下。因此器件設(shè)計可以考慮通過雙層石墨烯配置外加垂直方向的電壓偏置來實現(xiàn)良好的夾斷電流。通過將石墨烯薄膜剪裁成納米帶也可以引入帶隙，該帶隙能和石墨烯納米帶的寬度成反比。選擇一個適合的方法引入帶隙，是實現(xiàn)石墨烯FET器件優(yōu)良開關(guān)效應(yīng)的關(guān)鍵。石墨烯歐姆接觸形成機理金屬和石墨烯間良好的歐姆接觸是實現(xiàn)高性能電子器件的關(guān)鍵，用Extended H252。ckel Theory (EHT) 模擬金屬石墨烯歐姆接觸的量子傳輸機理；研究石墨烯的層數(shù)、晶格取向、缺陷等對歐姆接觸的影響，研究金屬功函數(shù)、金屬淀積工藝條件、合金退火工藝等對歐姆接觸特性的影響。石墨烯薄膜電學(xué)性能的介電增強技術(shù)石墨烯晶體管通常采用MIS結(jié)構(gòu)，低損傷高質(zhì)量的柵下介質(zhì)是決定器件性能的關(guān)鍵。研究柵下介質(zhì)的介電常數(shù)、淀積工藝等對器件性能的影響，研究介電材料對石墨烯載流子濃度、遷移率的調(diào)控技術(shù)。選用特定的有機或無機的高k介電材料，結(jié)合界面應(yīng)變、各種柵結(jié)構(gòu)(如頂柵、背柵、雙柵、側(cè)柵和環(huán)柵等)，利用介電材料對石墨烯原子層表面的電荷態(tài)、電聲散射、表面應(yīng)變等的影響，調(diào)制石墨烯電學(xué)性能，尤其載流子濃度和遷移率，實現(xiàn)石墨烯薄膜電學(xué)性能的介電增強技術(shù)。高性能石墨烯場效應(yīng)晶體管制作技術(shù)石墨烯場效應(yīng)晶體管的制作流程雖與常規(guī)半導(dǎo)體器件相似，但因材料特殊和尺寸微細(xì)，在工藝技術(shù)上存在許多障礙。如何提高石墨烯場效應(yīng)晶體管的工作頻率和優(yōu)化器件開關(guān)性能是目前研究的重點。通過獨特的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和器件參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，并選擇合適源漏電極、柵介質(zhì)的材料，借助微/納封裝技術(shù)，選擇合適襯底材料或設(shè)計獨特的襯底結(jié)構(gòu)，消除溝道與柵之間因寄生電容所致的高頻信號饋通，從而實現(xiàn)高性能的射頻場效應(yīng)晶體管。下圖是石墨烯效應(yīng)晶體管制作的流程示意圖。石墨烯FET的制作流程因材料特殊和尺寸微細(xì)，石墨烯FET器件制作在技術(shù)上存在