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零带隙_百度百科

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  零带隙是指禁带宽度为零。带隙是导带的最低点和价带的最高点的能量之差,带隙越大,电子由价带被激发到导带越难,本征载流子浓度就越低,电导率也就越低。

  石墨烯在未来微电子学领域有极大的应用前景,但是其零带隙的特点阻碍了石墨烯在半导体领域的应用。

  带隙是导带的最低点和价带的最高点的能量之差。也称能隙。带隙越大,电子由价带被激发到导带越难,本征载流子浓度就越低,电导率也就越低。

  禁带宽度(Band gap)是指一个带隙宽度(单位是电子伏特(ev)),固体中电子的能量是不可以连续取值的,而是一些不连续的能带,要导电就要有自由电子或者空穴存在,自由电子存在的能带称为导带(能导电),自由空穴存在的能带称为价带(亦能导电)。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴,就必须获得足够能量从价带跃迁到导带,这个能量的最小值就是禁带宽度。

  石墨烯是一种由碳原子周期性排列而成的具有六角型蜂窝状晶格结构的二维材料,是只有一个碳原子厚度的平面薄膜,石墨烯的发现为探索低维电子系统的输运和相互作用,建立量子相干碳基纳米电子器件,探测“带电中微子”的高能物理特性开辟了新的途径。

  通过能带计算表明,导带价带刚好交于第一布里渊区的六个顶点,即狄拉克点。由此可知,石墨烯是一种

  零带隙半导体材料。如图所示,导带被空穴占据,近乎空带;价带被电子占据,近乎满带,二者相互连通。

  隧穿对应的入射角度.随着磁场强度的增加,隧穿峰向负角度方向移动,因此隧穿曲线不再关于角度对称。造成这一现象的原因是当渐消失态出现于磁场区域,并且当渐消失态的衰减长度小于矢量势宽度时,隧穿很弱。随着带隙宽度的增加,隧穿峰数保持不变或减少,且隧穿几率不为零区域逐渐变小,这说明带隙能够抑制隧穿.当偏压为零时,对于零带隙或较小的带隙而言,隧穿几率曲线出现一些尖锐的角度共振峰;对于较大的带隙而言,隧穿几率近乎为零。当偏压不为零时,在零带隙或带隙较小情况下,尖锐的角度共振峰的振幅减小了;在带隙较大情况下,仍然有一些明显的隧穿峰出现。还可以发现,在电场下,当磁场强度为零带隙不为零时隧穿曲线不再关于角度对称,这是由带隙和偏压间的共同作用导致的。

  由于自身优异的电学性质和机械性能,石墨烯已成为后摩尔时代替代硅的候选材料之一,但是想要成功替代硅成为未来的微电子材料,还需进行长期深入的研究。其中一个重要的阻碍因素便是石墨烯本身没有带隙(零带隙特性),本征石墨烯的导带和价带相交于布里渊区,能带难以打开,不能在半导体领域直接应用。因此,如何打开和调控石墨烯的带隙成为研究的一个热点领域。

  石墨烯带隙的打开方法主要有:1)通过吸附或掺杂其他元素,在导带和价带之间引入能隙;2)利用对称性破缺,通过破坏双层石墨烯的对称性实现带隙的打开;3)利用量子限制效应和边缘效应,通过制作特殊的石墨烯纳米结构来形成带隙; 4)其他方式,如衬底调控、应力调控等。总体来说,吸附其他元素的方法可以在不破坏石墨烯原本晶格结构的情况下引入带隙,但该调控方式所吸附的化学基团不稳定,易受到温度或真空度的影响而发生解吸附,导致带隙消失。掺杂其他元素是一种最直接打开石墨烯带隙的方式,且通常掺杂石墨烯得到的带隙要大于制备石墨烯纳米结构得到的带隙,但是掺杂后石墨烯的稳定性与掺杂的基团种类有关,有可能随着环境的变化而发生解吸附,同时,在实际操作中很难精确地控制掺杂的位置及浓度。对称破缺主要是利用外加电场选择性地控制双层石墨烯层的载流子浓度,从而调控石墨烯狄拉克点附近的能带结构.施加外加电场的方法可以避免在石墨烯中引入杂质,但是因为只有在上下层间存在电势差的情况下才可以引入带隙,一旦电场消失,带隙也会马上消失。因此,吸附、掺杂及对称破缺的方法对石墨烯带隙调控的精度及稳定性较差,而利用量子限制效应和边缘效应引入带隙,主要是通过特殊的图形化石墨烯纳米结构实现石墨烯带隙的调控,能够稳定地存在,而且可以通过调节纳米结构的尺寸来调控石墨烯带隙的大小。

  王明静. Thue-Morse有带隙石墨烯超晶格的电子输运和散粒噪声[D]. 河北师范大学, 2017.

  张慧珍, 李金涛, 吕文刚,等. 石墨烯纳米结构的制备及带隙调控研究[J]. 物理学报, 2017(21):79-87.