石墨烯--金属接触对石墨烯电子器件输运性质的影响

季威 研究组 供稿 2011-06-20

近日，《应用物理快报》【Appl. Phys. Lett. 97, 142105 (2010)】和《纳米快报》【Nano Letters 11, 151 (2011)】分别报道了中国人民大学物理系季威研究组与加拿大麦吉尔（McGill）大学郭鸿教授研究组博士生 Jesse Maassen 等人的合作研究成果。他们通过计算机模拟研究了 Cu、 Co 三种金属的Ni、（111）表面和石墨烯（Graphene）接触界面的电子结构和电子输运性质，为今后制造石墨烯器件提供了一定理论依据。

石墨是一种广泛存在的碳单质形式，是铅笔的主要成分。石墨烯又称单层石墨（片），是一种由碳原子以 sp2 杂化形成的六角蜂窝状晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子层厚度的二维材料。过去，石墨烯被误认为无法单独稳定存在，直至 2004 年，英国曼彻斯特大学的 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 成功地在实验中观察到了稳定存在的石墨烯，证实了其存在性，两人也因此获得 2010 年诺贝尔物理学奖。石墨烯是已知电阻率最小的材料。因为其电阻率极低，电子迁移速度极快，因此被期待可用来制造更薄、频率更高的新一代电子器件。目前，在器件构筑问题上，人们面临着一个关键挑战，即如何理解并控制石墨烯和金属电极接触界面的电子结构。

中国人民大学物理系季威副教授领导的研究组专注于电子量子输运现象中的表面和界面问题的研究，包括表面界面的自组装、几何和电子结构、界面相互作用机制、电子输运性质等方面，取得了一些研究成果，如，Phys. Rev. Lett. 100, 186104(2008); 104 099703 (2010); ACS NANO 2, 699 (2008); Nature Chem. 3, 85 (2011) 等。

最近，他们与加拿大麦吉尔大学（McGill）郭鸿教授研究组合作，采用第一性原理非平衡格林函数——密度泛函理论 (NEGF-DFT)方法研究了 Cu、Ni、Co 三种金属的(111)表面与石墨烯 (Graphene) 接触界面的电子结构和电子输运性质。不同于以往的理论模型，他们采用一种能够模拟接触界面对实际器件电子输运性质影响的 结构模型。研究发现铜——石墨烯接触界面可以近似的用电子掺杂的石墨烯（n-doped graphene）模拟；而与镍、钴表面的接触则完全破坏了石墨烯特有的近线性色散关系，打开了一个能隙，但可以给出较大的（60%-80%）自旋极化率。

 这是首次明确地采用与实际器件一致的理论模型研究金属——石墨烯接触。上述结果为今后以金属作为电极研究进而调制石墨烯的电子输运性质提供了重要参考。