答辩陈述在线视频

首先我代表这个

学位分委员会宣读

由学位评定委员会主席审批的

答辩委员会主席及成员名单

那么主席是郝一龙教授

北京大学微电子学研究所

许军教授

清华大学微电子所

张广宇研究员

中科院物理所

王燕教授

清华大学微电子所

岳瑞峰教授

清华大学微电子所

任天令教授

清华大学微电子所

那么下面就请答辩委员会主席

宣布田禾同学的这个答辩会开始

田禾同学博士论文答辩

答辩会现在开始

首先由这个答辩委员会秘书

介绍答辩人的基本情况

包括简历和来校学习后的成绩

以及一些其它情况

田禾同学1988年3月2日

出生于湖北省孝感市

2006年9月

考入合肥工业大学

理学院微电子学专业

2010年7月毕业

并获理学学士学位

2010年9月

免试进入清华大学

微电子与纳电子学系

攻读博士学位

研究生阶段

田禾同学总共选修学分

是39个学分

是满足博士的答辩要求

基本情况是这样

好 下面由答辩人田禾同学

报告学位论文的内容

时间30到40分钟

尊敬的各位老师

亲爱的同学们大家下午好

我是博士研究生田禾

我的导师是任天令教授

今天我博士论文答辩的题目是

基于石墨烯的

新型微纳电子器件研究

今天我将分三个部分进行介绍

首先将介绍研究的背景

接下来将介绍研究的主要内容

主要将介绍四类代表性的器件

最后做一个总结

这是我们微电子技术的发展架构

我们在日常生活中使用的手机

笔记本以及互联网

都是微电子技术发展的产物

那么它们中间环节需要IC设计

以及流片

那么底层的创新

来自于器件层次

那么ITRS提出了More Moore

和More than Moore

两个发展器件的方向

那么More Moore

即是继续的scaling down

那么More than Moore

即是发展各种类型的新型的器件

目前微电子技术

已经发展到14纳米节点

目前主流的器件类型有两种

一种是基于Fin-FET

另一种是Ultra-Thin Body SOI

那么随着摩尔定律的继续发展

那么沟道的厚度

将会降低到0.7纳米以下

那么这个时候

它的库伦散射会显著增强

对于硅来说

那么它的迁移率会下降到

100厘米的平方每伏每秒

那么这相对它原来的体材料来说

下降了10倍以上

不仅硅的迁移率会急剧下降

硅和锗它们的禁带宽度

会随着厚度的进一步下降

它们会急剧增加

这会导致晶体管的失效

那么二维材料

给这样一个摩尔定律的发展

带来了新的一个机遇

可以看到石墨烯

具有非常优异的迁移率

那么二维家族里面

还有这个金属

过渡金属的硫化物

那么它们具有合适的禁带宽度

那么接下来介绍一下

石墨烯的基本性质

那么石墨烯是由SP2杂化

构成的单层碳原子

那么它的厚度仅为0.34纳米

那么它的面内

是由这个原子键构成

因此是结合力非常强的

而层间

则是由范德瓦尔斯力构成

因此可以通过剥离的方式

获得单层的石墨烯

石墨烯的能带

是由这种导带和价带

在狄拉克点处结合

满足线性的色散关系

并且对称

我们可以看一下

石墨烯具有非常优异的

电学、力学、光学以及热学的特性

那么由于石墨烯

具有这么多优异的物理特性

那么它为构建新型器件

提供了良好的平台

比如结合能带和高迁移率

我们可以实现RF-FET

结合能带和单原子层厚度

那么可以实现

这么一种新型的超薄的存储器

结合高迁移率和光学特性

我们可以实现光电探测

结合光学以及机械强度

我们可以实现谐振器

我们还可以实现执行器

热整流器、热声器件

力学传感、发光器件等等等等

这个类型是无穷无尽的

只要你尝试去结合任意两点

就可以产生一种新的器件

那么我们来看一下

石墨烯的研究进程

那么从2004年到2010年

石墨烯的研究主要集中在

基本特性的研究

我们来看一下时间轴

那么最早的时候

那么Novoselov和Geim

他们首先发现了石墨烯

之后Ferrari等人

他们研究了石墨烯的拉曼特性

2007年他们发现了

室温下的量子霍尔效应

2008年1TPa杨氏模量

非常高的热导率

以及非常高的透光率

都被研究出来

那么这样的话

石墨烯的基本特性

已经基本研究完备

那么在这六年间

也大量的研究了

石墨烯的制备工艺

2005年诺奖二人

他们系统性的研究了

如何去剥离二维的材料

那么到了2009年的时候

Wafer-scale在石墨烯的

碳化硅上生长

以及大面积的rGO

以及在大面积的石墨烯

在铜上的生长工艺

都日趋成熟

那么一个代表性的成果

是2010年的时候

Roll-to-Roll 30-inch 的石墨烯

已经被制备出来

那么到至此呢

这个石墨烯的制备工艺

也基本告一段落

那么到了2011年

出来一个里程碑式的工作

那么就是IBM

他们制作了一个

100GHz的一个RF-FET

那么这是一个里程碑式的

将这个石墨烯的这个研究

又带入了这么一个

器件的这么一个领域

那么我的博士课题

正是在这个时期开始切入的

我的课题就是要去

研究各种各样类型的

新型的石墨烯器件

那么至此有一些石墨烯器件

都被研究出来

然后这些类型还远远不足

因为刚刚也介绍了

它的这个类型

是非常多种的组合

那么我们迫切的需要

需要新型的石墨烯器件

于是我提出了

我的博士论文的题目

那么就围绕这三个部分进行研究

第一是如何拓展

新型石墨烯器件的类型

第二是如何优化器件的制备工艺

第三是如何揭示它的工作机制

那我的研究架构

从More Moore方向去研究

基于石墨烯的

新型的Transistor和Memory

那么做一个scaling down的研究

那么同时还会研究

这个More than Moore方向

去研究新型的石墨烯器件

以这个sensors和actuators为主

那么最后通过一种

新型的片上集成工艺

将这些新型器件

进行片上的集成

那么由于这个器件类型非常多

我在此将主要介绍四类

比较有代表性的器件

首先将介绍

新型的石墨烯声源器件

看一下我们这个

研究思想这个提出

那么传统的发声器件

它存在一个非常共性的问题

就是存在这个谐振的peak

那么在远离谐振峰的位置

就会出现明显的声音衰减

那么2008年的时候

有一个CNT扬声器被研究出来

那么它们可以具有

非常宽的这个频谱的优势

然而CNT

它存在三分之二的

半导体特性的CNT

因此它的这个驱动电压

会大于100伏

我们在国际上

首次实现了这么一个

石墨烯的声源器件

那么它具有低驱动电压的特点

那么发表在ACS Nano上面

我们来看一下

这个传统的发声器

那么传统是基于这种电磁式发声

那么它由这个磁体、音圈

和这个纸盆构成

通过这个纸盆振动

那么推动空气发声

而我们这种热声器件

它本身是无振动的

我们来看一段视频

来看一下它这个工作机制

那么这是一个加热导体

那么当我们给它通入

这个周期性的电的时候

那么它表面的温度

就会周期性的波动

而这个周期性的波动

就会加热它表面的空气的

一个薄层的分子

进行周期性的热膨胀和收缩

而进而产生声音

那么从这个机制来看

它本身是一个不振动的一个发声

因此它有希望去避免这么一个

存在谐振的问题

于是我们首先研究了

多层石墨烯声源器件

我们采用了多层石墨烯

它具有较高的机械强度

同时我们采用了

孔径30微米的滤纸

它能够有效的隔绝热的泄漏

以提高声压

这是我们制备的器件的工艺流程

这是我们最终

制备的器件的实物图

这是声学的这个理论公式

我们可以看一下

其中有一项是材料因子

这一项代表的是表面热容量

那么表面热容量越小

代表热量可以更快的被散发出去

以产生声音

那么这一项等于dρCP

那么d这一项代表的是厚度

那么最终我们可以得出

声压和厚度成反比

这意味着厚度越薄声强越大

那么我们来看一下测试结果

我们采用了三个样品

100纳米、60纳米和20纳米的

石墨烯样品

我们可以看到

随着层数的逐渐减薄

这个声强是逐渐的增加

同时它在这个15kHz到50kHz

都具有非常平坦的声输出

因此可以应用到实际的这个

可给人听

以及未来可以给动物听

为了证明

它是基于一种热声效应

我们对它进行了温度的测试

我们可以发现

当我们提高输入的

声频率的功率的时候

它表面的温度

也会逐渐的升高

这与我们的理论公式

也是非常吻合的

我们来看一段这个动态视频

来看一下它表面的温度的

波动的情况

这个时候我们将

输入的电的频率降低到1Hz

我们来看一下

它表面的这个温度

可以看到它表面的温度

是在周期性的升高和降低

这表明了跟前面的热声效应

是吻合的

那么接下来我们建立了

它的热声的理论的模型

同时也仿真了

它的声压与厚度的关系

可以看到厚度越小

那么声压越高

同时还对这个已经测试结果

进行了拟合

还仿真了它的理论声压

以及有限元的分析

那么刚才也提到

层数越薄 声压越高

因此我们接下来采用了

单层石墨烯

它能够进一步的降低表面热容量

以提高声压

我们采用了50纳米孔径的AAO

作为这个基底

它可以有效的减少漏热

这是我们制备的工艺流程

这是我们的一个SEM

可以看出它成功的

悬空在这个AAO上

我们来看一下这个测试结果

那么单层的石墨烯

它具有最高的这个声强

同时我们通过理论分析可以看到

那么由于单层石墨烯

具有最小的表面热容量

因此它对应的这个声强

也是最高的

同时我们将我们已有的声强

与已有的文献进行对比

可以看到由于我们单层石墨烯

具有最小的表面热容量

因此它的这个声强

也是文献报道中最高的

同时由于单层石墨烯

具有非常高的透光率

因此它可以和这个LCD集成

以同时实现这个发声和显示

那么我们这个研究工作

被Nature出版集团

NPG Asia Materials以这个Graphene rocks为题

进行了亮点的报道

那么他们在这个报道中

也多次强调了

我们这个在石墨烯领域的

这个原创性的工作

同时我们这个工作

也受邀成为Nanoscale这个封面论文

那么这个石墨烯领域

这个权威人物Rodney Ruoff

那么他们在我们的工作基础上

也研究了这个Transparent

这么一个单层的石墨烯sound source

那么在他的论文中也强调了

我们的这个多层的石墨烯

与单层石墨烯的

这个工作的原创性

那么同时这个段镶峰教授

那么他们在这个

石墨烯综述论文里面也引用了

我们石墨烯的声源器件的

这个工作

那么接下来我们还研究了

柔性、透明、大面积的

单层石墨烯声源器件

我们可以看到

这个石墨烯的薄膜是非常透明的

同时我们还制备了

二到六层的石墨烯薄膜

那么通过透光率测试

可以发现它这个透光率

单层为这个2.6%

同时与这个

Roll-to-Roll石墨烯相比

它这个方阻更加这个低一些

那通过这个层数的测试可以发现

单层石墨烯

具有最高的声压级

那么随着层数的增加

它的这个声强是逐渐下降的

那么接下来我们又提出了

基于石墨烯的新型的耳机

那么大家知道

1948年Bell lab第一次发明了

石墨烯的晶体管

那么1951年的时候

Raytheon他们提出了

集成电路第一个产品助听器

因此大家注意到

集成电路的第一个应用

来自于声学领域

那么石墨烯在2004年被发现

而我们在这个首次

在这个研究了

石墨烯的这个耳机的原型

那么我们认为石墨烯耳机

有望成为石墨烯的第一个产品

这是我们传统的这个助听器

这是我们研究的石墨烯耳机

这是我们提出的一个未来的

一个石墨烯的耳机的概念图

那么我们采用了这种laser-scribed技术

可以制备

晶圆级的这么一个石墨烯

这是制备出的一个晶圆级的石墨烯

那么它只需要25分钟

这是我们测试了这么一个频谱图

可以看到我们对比商用耳机

我们石墨烯耳机的

这个声频谱更加的平坦

同时我们配备合适的驱动电路

以及这个合适的

这么一个输入的这个方式

我们可以将它连接到笔记本电脑

或者手机以实现音乐的播放

我们来看一个这个实用的演示

这是将我们的石墨烯耳机

接上USB的这个power

这是我们的一个麦克风

这是我们的石墨烯耳机

接下来我们可以

听到音乐开始播放

这就是前一段时间

比较火的一首《江南style》

那为了证明它是石墨烯耳机

我们这边的耳机壳打开

大家可以进一步的看清楚

它表面的情况可以看到

它是一个超薄的

一个通过激光直写的方式

制备的一个多层堆叠的石墨烯

那么这个材料是一个超薄的结构

那么靠近这个麦克风

也可以更加清晰的听到音乐

我也有实物等会儿

可以给评委专家可以去看一看

好

那么由于石墨烯具有

非常平坦的声输

不仅可以覆盖人耳的听域

而且还可以覆盖超声频段

而动物对这个超声频段

是非常敏感的

于是我们将这个

石墨烯耳机给这个狗戴上

我们也验证了

这么一个石墨烯耳机

控制狗行为的这么一个实验

我们给狗戴上

这么一个石墨烯耳机

我们开始没有放出

任何的这个声音

然后我们给它放音

我们可以看到狗的耳朵动了一下

然后站起来

这表明狗能够接

收到我们的声音信号

能够它能够被控制

那么这是我们建立的一个

石墨烯耳机的

一个声学的理论模型

它是由这个热量转化成

一个声场的过程

我们的理论和实验的

这个吻合是非常好的

同时我们理论预计

它的声场可以高达1兆赫兹

这是我们仿真不同声频率下的

声场辐射可以看到声频率越高

则声场越加尖锐

同时我们还制备了

单层透明的这么一个石墨烯耳机

我们对比了单层的

石墨烯耳机与商用耳机

可以发现单层的石墨烯耳机

也具有非常平坦的声学输出

同时它的频率可以高达200kHZ

那么我们做一个小结

我们首次将这个石墨烯

拓展到这个声学领域

发表在ACS Nano和Nanoscale上

我们首次实现了石墨烯耳机

它在ACS Nano和IEDM上

第二部分我将介绍

新型石墨烯阻变存储器的研究

这将分两部分进行介绍

第一部分是低功耗的RRAM

第二部分是Fin结构RRAM

那么首先介绍低功耗RRAM的

研究思想的提出

那么传统的MIM结构的阻变存储器

存在一个非常严重的问题

就是RESET current过大

你可以看到这是一个RRAM

那么它的RESET current

可以高达0.2毫安

那么我们首次将石墨烯

引入了阻变存储器界面

那么很明显的实现了

它的这个RESET current的降低

那发表在Nano Letters上

这个工作是和斯坦福的

Philip Wong进行合作的

那么首先我们通过CVD法

制备了3厘米见方的单层石墨烯

我们将这个石墨烯引入到

这个氧化铪和氮化钛这个界面中

我们有一个Wafer级的制备

那么含有石墨烯这块区域

我们称之为G-RRAM

不含有石墨烯区的

我们称之为C-RRAM

这是我们的工艺制备的流程

我们可以通过测试发现

引入石墨烯之后

RESET current的电流下降了22倍

同时我们算功耗的话

可以下降约47倍

我们分析一下它的低功耗的机制

那么没有引入石墨烯的C-RRAM

那么它的low resistance state

电阻只有40kΩ

在引入了石墨烯之后

它的这个石墨烯和这个氧化铪

界面处的电阻会大于900kΩ

那么同时我们也分析了

它的这个filament

产生的时候的温度的

一个分布情况可以发现G-RRAM

因为它的温度会集中到

石墨烯的界面处

接下来我介绍一下

石墨烯的Fin结构的RRAM

那么传统的RRAM

是基于这种平面的一种MIM结构

那么我们借鉴了

Fin-FFT的设计思想

我们提出了石墨烯的

这个Fin-RRAM结构

它具有scaling down潜力

以实现高密度存储

这个论文是发表在Nano Letters

这部分也是同斯坦福Philip Wong

进行合作的成果

我们采用laser-scribe技术

制备了这么一个

石墨烯的作为底电极

然后我们接下来沉积了

这么一层氧化铪作为阻变层

最后我们制备上银作为顶电极

这是制备的工艺流程

我们看一下剖面SEM图

可以看到底下的

底电极是多层构成的rGO

那么它是由多层石墨烯构成

中间一层很薄氧化铪

上面有银

那么我们通过这个EDX

可以确认每个元素的成分

以及它的位置

接下来我们看一下

它的器件的性能

这个器件的性能具有Forming-Free

可重复性非常好

同时可以体现多值存储

它的高低阻态的分布非常均匀

窗口有10倍

同时可以保持10的4次方

接下来我们做一个小结

我们将石墨烯引入

到上电极与阻变界面层中

降低的功耗达47倍

同时我们还实现具有Fin结构的

柔性的这么一个

石墨烯阻变存储器

它具有这么一个scaling down的潜力

那么接下来我们将介绍

石墨烯的发光器件

那么现有的发光器件

一般可以分为无机发光和有机发光

那么传统的发光器件

比如说无机发光LED

那它需要通过能带工程

去控制你的发光的波长

比如说这个去年

刚刚获得诺贝尔奖

它授予了这么

一个蓝光LED的研究者

他们就是在这个蓝宝石上

那么先沉积了一多晶的氮化镓

那么才能沉积制备出

这么一个单晶的氮化镓

才能获得这么一个

高效的蓝光LED

那么我们首次构建了

这么一个GO和rGO的

这个复合的发光体系

我们直接通过栅极

就可以调制这么一个发光的颜色

那么这个成果也被

Nature Communications接受

审稿人也认为

这是一个潜在具有影响力

和这个那么一个新的

一个发展方向的一个工作

那么接下来我进行详细的介绍

那么首先我们

通过这个激光直写法

制备了这么一个栅控的

这么一个发光器件

同时我们通过这个电退火的方式

我们将gap暴露出来

那么我们可以看到中间有一层

这么一个emission layer

那么它是由这个

半还原态的rGO构成

那么在光学照片上我们可以看到

它表面是五彩斑斓的

那么这相当于

是在这个GO的bandgap里面

嵌入了非常多的分立的能级

而这些这么多的

分立的能级就会发射出

不同的颜色的这个光

那么同时我们通过

XPS确认了界面层的存在

通过这个IV测试

我们发现这个IV曲线符合Poole-Frenkel的

这么一个电学的输运关系

同时我们也进行这个温度的测试

我们也发现了它的这个logI

和根号下V保持这么一个线性关系

因此可以确认它那个发光机制

是符合这么

一个Poole-Frenkel的一个效应

那么同时我们采用栅极电压

来调制了它的发光颜色

在零栅压的时候它发的是红光

那么栅压为30伏的时候变成绿光

那么栅压为60伏的时候变成蓝光

我们来看一下

这个栅控发光的这么一个视频

那么开始的时候它会产生红光

那么随着我们栅极增加

它会变成绿光

它就要变成绿光

它最后会变成蓝光

同时我们通过调制栅压

可以非常精确的调制它的

这个发光波长的位置

以实现这么一个栅控

发光的这么一个LED

同时我们的栅压还能调控PL光谱

最后我们通过这个PL mapping

也确认了这个EL和PL的position

它是对应的

最后我们也计算了这么一个发光效率

那么在大电流下

它的发光效率会达到0.6%

并趋于饱和

同时通过我们调制栅极电压

我们可以优化它的效率达到0.85%

那么这个效率是MoS2

schottky junction发光效率的100倍

是WSe2 PN结发光的10倍

也表明我们这种二维发光系统的效率

在目前已有水平中还是较高的

最后我们介绍一下这个发光的机制

因为它是基于这个Poole-Frenkel效应发光

它在强电场下

那么通过这个高速的

这么一个空穴

那么将这个分立能级中的

电子激发出来

使得电子和这个空穴复合以发光

那么当我们调制栅极电压的时候

石墨烯的费米能级会逐渐的升高

这会导致非占满态的

分立能级的这个位置

会更加的变的更高

那么从而导致

我们需要更大的能量

才能激发出电子

来导致它辐射出来的

光的波长会更大

那么我们来做一个小结

我们首次在纯的

石墨烯的材料体系中

观察到电致发光现象

并且通过可以通过栅极电压调制

它从红光到绿光到蓝光

那么第四部分我们将介绍一下

石墨烯巨压电效应

石墨烯一直被认为

是一个无偶极子的二维薄膜

它的晶格内是完全对称的

那么有理论认为

可以通过引入一个不对称的结构

来打破它中心对称

以实现压电特性

那我们首次通过施加应力的方式

实现了分子级的极化

那么产生了这么一个巨压电特性

那么它的压电系数可以高达37nCN-1

那么比传统的压电体材料

要高两个数量级

这个成果是发表在Nature出版集团的

NPG Asia Materials上

那么我们通过AFM探针去研究石墨烯

薄膜的压电效应

在这个300纳米的二氧化硅上

我们光刻了这么一个5微米直径圆孔

我们通过这么一个机械剥离的方式

获得了单层的石墨烯

并且制备上了电极

我们来看一下它的栅控特性

当我们加较小的正栅极电压的时候

石墨烯薄膜会感应出电子

这个时候它实际上是一个吸附的

一个静电吸附作用

而当我们逐渐提高栅极电压的时候

当它这个电压较大的时候

它薄膜会鼓起来

那么这个时候就是由于它产生了

压电电荷会积累很多空穴

那么正电压和空穴之间相互排斥

会使得这个石墨烯薄膜会鼓起

另外我们还观察了这个比较特殊的

这个电学输运特性

当我们增加这个AFM探针的

下压力度的时候

那么它的这个开关比会逐渐增加

同时这段区域

会有一个反常的下降区域

它不符合这个在石墨烯的

这个传统的双极型输运

这是由于在正的栅压较大的时候

会产生更多的空穴

这个压电空穴

这压电空穴

会抵消原来产生的电子

使得它的这个输运会往下走

最后我们也计算

压电这个系数

通过我们结合这个压电矩阵

以及石墨烯的量子电容

我们可以得到它的压电系数

为37nCN-1

可以看到PZT对于这种比较大的

压电系数体材料

看到压电系数只有0.45nCN-1

那么它可以表明我们的压电系数

比这个传统压电材料

要高两个数量级

同时我们还制备了这么一个

纳米能量的一个收集器

我们匹配了合适功函数的这个金属

同时我们可以看到

这个悬空的石墨烯

由于受到应力的作用

那么它的这个bandgap被打开

因此它这个区域

会产生一个空间电荷区

那么悬空的石墨烯

会聚集很多的空穴

那么支持的石墨烯

会聚集很多的电子

那么我们再给它

施加这么一个力的时候

它可以产生开路电压

以及短路电流

同时我们给它施加力的时候

它的电阻也会发生变化

可以作为一个力学的一个传感器

这是我们测得的一个能量转化效率

为2.2%

那么压力的这个灵敏度是0.2kPa-1

我们做一个小结

我们首次在石墨烯中观察到的

这么一个巨压电效应

这是我们测试的

一个石墨烯压电系数

它比体材料PZT那么高82倍

比这个PZT薄膜要高1850倍

那么它有望应用

在这个能量这个传感领域

最后做一个总结

我们以这个石墨烯

这个新型微纳电子器件的

研究为核心

从它的这个材料制备

和加工展开了一系列的研究

那么取得了这主要

是这四方面的研究成果

第一是我们首先

实现了这个石墨烯的声源器件

实现了它具有柔性透明的

新型的石墨烯耳机

我们还探索了低功耗的

石墨烯阻变存储器

并且也实现了具有Fin结构的

石墨烯阻变存储器

第三是我们首次在纯的

石墨烯材料体系

观察到电致发光现象

并且我们也提出了

一种新型的栅控的

这么一个发光的器件

最后我们在单层的石墨烯

观察到巨压电效应

那么这是已经发表论文的情况

那么以第一作者发表SCI论文20篇

那么EI论文7篇

以及12篇共同第一作者论文

那么申请的发明专利是3项

那么已授权1项

代表性重要国际论文有以下这些

代表性的这个

重要国际学术会议论文有这些

那么我来做一个未来工作展望

那么未来的话我们

将探索纳尺度下的石墨烯器件

并且我们将尝试

采用更小光斑的激光系统

以实现这么一个集成的

这么一个石墨烯的片上集成芯片

将这个数字模拟

以及互连、存储、LED和Sound

进行这么一个片上的集成

最后也要感谢这个

国家杰出青年基金的支持

以及教育部博士学术新人奖的支持

也要感谢国际合作包括斯坦福

伯克利Lab还有耶鲁

这么一个国际的合作

最后也要感谢任天令教授

这个博士的五年来给我的这个

不管是这个做人做事科研

各个方面给我的这个教诲

让我受益终身

也感谢现场的各位老师指导

谢谢大家