高鸿钧院士团队Nano Lett.：直接四探针法测量毫米级石墨烯的晶界电阻率和迁移率

引言

石墨烯超常的力学、光学和电学性能使得其在场效应晶体管(FETs)、柔性和透明电极、化学/生物化学传感器等领域具有广阔的应用前景。然而，化学气相沉积(CVD)法制备的大面积石墨烯往往具有多晶特性和晶界(GB)、褶皱等缺陷，严重阻碍了其实际的电子应用。石墨烯的电子结构在晶界等缺陷处会发生严重畸变，当载流子穿过时，会产生严重的散射，造成迁移率减小。因此，进行载流子穿过缺陷时的定量表征对石墨烯的大规模应用具有重要意义。传统的表征手段主要是基于Hall条的四终端测量，基于几何因素的考虑也发展了一些扫描探针显微镜(SPM)相关的技术，例如扫描隧道电位分析(STP)、交流静电显微镜(AC-EFM)和开尔文探针显微镜(KPFM)。但是，至今尚未见无需Hall条的直接四探针测量技术。

成果简介

近日，中国科学院物理研究所高鸿钧院士和鲍丽宏副研究员(共同通讯作者)等人在Nano Lett.发表了题为“Direct Four-Probe Measurement of Grain-Boundary Resistivity and Mobility in Millimeter-Sized Graphene”的研究论文，报道了毫米级石墨烯晶界处电阻率和迁移率的直接四探针测量技术。研究团队首先通过CVD法制备了毫米级的石墨烯样品，然后利用超高真空(UHV)四探针扫描隧道显微镜(STM)实现了电阻率和载流子迁移率的直接测量，并根据欧姆定律建立了缺陷(晶界/褶皱)对载流子传输的影响模型，且通过实测进一步验证了其有效性。通过对7个典型晶界的测量，发现其电阻率范围从几到100多kΩ·μm不等；缺陷区域的载流子迁移率下降到单晶纯石墨烯的0.4~5.9‰；石墨烯褶皱对载流子传输的影响与晶界类似。

图文导读

图1通过CVD法在Cu箔上生长的石墨烯的光学和STM照片

(a)Cu箔上石墨烯的光学显微照片。其中可见单晶、双晶和多晶的石墨烯片；

(b-c)Cu箔上石墨烯的大面积STM图；

(d)图(c)中所选区域的高倍STM图。其中六方的网纹状图样表明了Cu基体上石墨烯膜的连续性；

(e) 网纹状图样的原子级分辨率STM图。表明石墨烯样品的连续性和高质量；

照相参数：(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。

图2 SiO₂/Si基体上单层石墨烯的光学照片和拉曼光谱

(a)晶粒1(蓝色虚线)和晶粒2(红色虚线)组成的双晶单层石墨烯的光学显微照片。2个晶粒由1条晶界(深绿色点划线)分开，晶粒2上的石墨烯褶皱由浅蓝色箭头标出；

(b)图(a)中单层石墨稀1-3区域的拉曼光谱。激发波长为532nm的激光。

图3 四探针测量的示意图

(a-b)四探针分别对SiO₂/Si基体上石墨烯双晶的左(晶粒2，红色)、右(晶粒1，蓝色)晶粒进行测量。晶界由深绿色箭头指示。晶粒1、晶粒2的薄层电阻分别表示为R₁□和R₂□；

(c)跨越晶界的四探针测量。晶粒1和晶粒2在晶界处的联并用深绿色箭头指示；4个探针分别标识为1-4；“I”表示电流注入，“G”表示接地，“V”表示电压。

图4 跨越GB-1和褶皱的四探针测量

(a)晶粒内(蓝色为晶粒1、红色为晶粒2)和晶粒间(黑色，跨越GB-1)的薄层电阻与载流子密度的关系。插图为跨越GB-1的四探针测量的光学显微照片；

(b)不同载流子密度下，实验数据(黑色)与拟合数据(橙色)的对比；

(d)晶粒2(红色)和跨越石墨烯褶皱1(黑色)的薄层电阻率。左边的插图是四探针跨越褶皱测量的光学显微照片，右边的插图是褶皱的高倍光学照片；

(e)实验数据(黑色)和根据模型的计算数据(橙色)的对比；

(f)根据模型计算的褶皱电阻率。

图5 GB-1的迁移率和晶界、褶皱的迁移率的总结

(a)GB-1电导率与载流子密度的关系。对电导率曲线进行线性拟合得到的空穴和电子迁移率分别用蓝色和红色的线表示；

(b)晶界和褶皱处的空穴和电子迁移率数值的总结。

小结

本文发展了石墨烯晶界/褶皱处电阻率和迁移率的直接四探针测量技术，然后根据欧姆定律建立了晶界/褶皱对电传输的定量影响模型，并通过实验测量验证了其有效性。该方法同样适用于其他2D材料(如TMDCs)晶界处电阻率和迁移率的定量表征，有望打破石墨烯电子器件应用的限制因素。

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

本文由材料人编辑部纳米学术组Roay供稿，材料牛编辑整理。