引言
近年來, 石墨烯等二維材料與器件領域的研究和開發取得了日新月異的進展。隨著二維材料與器件研究和開發的深入, 研究人員越發清楚地認識到, 二維材料中載流子的傳輸能力是影響其器件性能的一個至關重要的因素。衡量二維材料載流子傳輸能力的主要參數是載流子遷移率μ, 它直接反映了載流子在電場作用下的運動能力, 因此載流子遷移率的測量一直是石墨烯等二維材料與器件研究中的重要課題。
二維材料載流子遷移率的測量方法
迄今為止已有許多實驗技術來測量二維材料的載流子遷移率，主要分為四大類, 一是穩態電流方法（ 如穩態直流J-V 法和場效應晶體管方法），該方法是簡單的一種測量載流子遷移率的方法，可直接得到電流電壓特性和器件的厚度等參數。二是瞬態電流方法，如瞬態電致發光、暗注入空間電荷限制電流和飛行時間( TOF) 方法等；三是微波傳導技術, 如閃光光解時間分辨微波傳導技術和電壓調制毫米波譜；第四種是導納( 阻抗) 法。但上述實驗方法仍存在一些普遍性問題：1）樣品制備要求較高，需要繁雜的電制備；2）只能給出平均值，無法直觀的得到整個二維材料面內的載流子遷移率的分布情況，無法對其均勻性進行直觀表征；3）測量效率較低，無法滿足未來大面積樣品及工業化生產的需求。因此，我們亟需進一步優化和開發新的實驗技術來便捷快速的獲得載流子遷移率。
顛覆性的二維材料載流子遷移率測量方法
西班牙Das Nano公司采用先進的脈沖太赫茲時域光譜技術創新性的研發出了一款針對大面積（8英寸wafer）石墨烯、半導體薄膜和其他二維材料100%全區域的太赫茲無損快速測量設備-ONYX[2,3]，可在1 min之內完成厘米樣品的載流子濃度測量?；诜瓷涫教掌潟r域光譜技術（THz-TDS）彌補了傳統接測量方法之間的不足和空白。實現了從科研到工業的大面積石墨烯及其他二維材料的無損和高分辨，快速的載流子遷移率測量，為石墨烯和二維材料科研和產業化研究提供了強大的支持。
近日，北京大學劉忠范院士團隊通過自主設計研發的電磁感應加熱石墨烯甚高溫生長設備，在 c 面藍寶石上在 30 分鐘內就可以直接生長出了由取向高度一致、大晶疇拼接而成的晶圓高質量單層石墨烯。獲得的準單晶石墨烯薄膜在晶圓尺寸范圍內具有非常均勻的面電阻，而且數值較低，僅為~600 Ω/□，通過Das Nano公司的ONYX的載流子遷移率測量功能顯示當分辨率為250 μm時遷移率依舊高于6,000 cm2V–1s–1，且具有很好的均勻性。這是迄今為止，常規絕緣襯底上直接生長石墨烯的好水平。文章以題為“Direct growth of wafer-scale highly-oriented graphene on sapphire”[4]發表在Science Advances上。
圖二、電阻及載流子遷移率測量結果
【參考文獻】
[1] Bardeen J, Shockley W. Deformation Potentials and Mobilities in Non-Polar Crystals[J]. Physical Review, 2008, 801:72-80
[2] Cultrera, A., Serazio, D., Zurutuza, A. et al. Mapping the conductivity of graphene with Electrical Resistance Tomography. Sci Rep 9, 10655 (2019).
[3] Melios, C., Huang, N., Callegaro, L. et al. Towards standardisation of contact and contactless electrical measurements of CVD graphene at the macro-, micro- and nano-scale. Sci Rep 10, 3223 (2020).
[4]Chen, Z., Xie, C., Wang, W. et al. Direct growth of wafer-scale highly-oriented graphene on sapphire. Sci. Adv. (2021).
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1、石墨烯/二維材料電學性質非接觸快速測量系統-ONYX
