基于霍尔效应的石墨烯电性能测试方法的研究
二维材料石墨烯(Graphene)具有狄拉克锥特殊能带结构，使其具有了高迁移率等优良电学性能，可应用于微电子、电池材料等前沿领域中，是国家战略新型材料。随着石墨烯产业的纵深应用发展，石墨烯材料的计量、标准研究等工作，作为解决因石墨烯制备工艺等技术壁垒所导致的石墨烯相关产业链不完善的关键工作，显得尤其重要，更是保障石墨烯产业健康发展的关键。在石墨烯薄膜众多性能中，电性能是重要的宏观性能指标，可以用于石墨烯薄膜整体质量的综合性能评价，是潜在的石墨烯质量评价标准。本文在此背景下，对石墨烯电性能测量过程中的计量、标准化工作方向进行了探究，为石墨烯电性能标准化研究方向提供了指导。本文的研究内容如下: 1、针对石墨烯等先进半导体薄膜材料的电性能检测方法进行梳理，对不同的测试方法在测试过程中的优缺点进行分析，选择范德堡法作为现阶段针对石墨烯薄膜电性能的质量评价方法。针对石墨烯薄膜材料优良的电性能对测试设备能力提出了更高要求的情况，对某型国产范德堡法测试原理的霍尔效应测试系统进行了针对性的升级，包括PID温度控制模块，真空单元模块等，升级后的设备在自动化控制，使用效率、准确性及稳定性均有了一定程度的提升。例如针对真空单元模块的升级，可使设备的使用效率提升大于20％。 2、针对使用范德堡法测试石墨烯等先进半导体薄膜材料时存在因电极连接方式，电极与材料的相对位置，设备参数设置等影响测试准确性及稳定性的因素，进行了相关理论及实验的多角度分析。例如，在设置设备参数时，高重复电流不会起到增加稳定性的作用,相反因半导体材料电流热效应的存在,导致测试结果出现偏差等。本文的实验结论给予了相关测试人员在测试时以理论指导，具有一定的现实指导意义。 3、为了实现石墨烯薄膜电性能计量标准测试方法，首次提出了以载流子迁移率这一最重要的石墨烯电性能参数为目标，从使用描述迁移率与散射关系的理论为出发，分别对不同衬底类型的石墨烯薄膜电性能进行了理论溯源分析，首次得到了影响范德堡法测试石墨烯材料电性能准确性的金属探针SI单位参数，基于本文的研究，设计并制作了具有自主知识产权的石墨烯电性能测试金属探针，为范德堡法测试石墨烯的计量标准化工作提供了一定的硬件支撑。 4、首次提出了范德堡法测试石墨烯薄膜电性能的标准探针模块的思路，并设计制作了基于范德堡法的石墨烯电性能标准探针模块,这样的模块化设计实现了对金属探针的各项可控要求，并可完成溯源，模块化的设计可以应用于不同型号的霍尔效应测试系统，有利于范德堡法测试石墨烯电性能标准化工作的开展。
半导体薄膜;石墨烯;电性能检测;范德堡法
北京化工大学
硕士
机械
贺建芸;任玲玲
2023
中文
TN304.07
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）