摘要
石墨烯，具有蜂窝状结构的二维原子晶体，因其独特的电子结构和优异的物理化学性质而引起广泛的关注。它不仅在电子学、光学、能源以及柔性显示和传感等方面有着潜在的应用前景，同时也为一些新奇的物理现象，比如量子（自旋）霍尔效应、范霍夫奇异、超导等，提供了研究平台。此外，石墨烯还是构建多种新型二维范德华异质结构的基本单元。过渡金属表面外延生长的石墨烯具有大面积、连续、高品质、层数可控等优点，基于该体系而发展的异质元素插层技术不仅利用了这一体系的优势，而且可以将大面积、高品质石墨烯无损地置于其他衬底（金属、半导体或者绝缘体）之上，为构筑基于石墨烯的二维异质结构提供了新的途径。 本论文主要聚焦在过渡金属表面外延生长的单、双层石墨烯体系的半导体及其氧化物的插层。从Ru(0001)表面外延单层石墨烯的硅插层入手，系统地研究了硅插层的结构演化以及氧化硅插层的结构与机制。同时把该插层技术拓展到Ru(0001)表面外延的双层石墨烯体系、Ir(111)表面外延的单层石墨烯体系以及锗与氧化锗的插层。成功构建了石墨烯/半导体/金属、石墨烯/二维氧化物/金属异质结构。本论文的主要内容包含三个部分。 第一部分研究了Ru(0001)表面外延单层石墨烯的硅及氧化硅插层。系统的研究发现插入到界面处的硅原子会形成两种不同的结构。随着硅原子插层量的增加，首先会形成硅烯，然后形成RuSi合金薄膜。进一步通过氧原子的插层使插入的硅原子氧化以实现氧化硅的插层。硅烯氧化之后，在不同的实验条件下可以形成无定形、多晶以及单晶的二维氧化硅。通过增加插入的硅和氧原子的量，可以调控氧化硅厚度至1.8nm。垂直方向的输运特性表明薄层氧化硅是很好的二维绝缘体，但其厚度不足以使石墨烯和金属衬底绝缘，电子可以以量子隧穿的形式穿过氧化硅势垒。RuSi合金的氧化可以得到较厚的氧化物薄膜，该氧化物层是Ru-Si-O混合的状态。虽然不是纯净的氧化硅层，但是初步实验现象显示有望实现将石墨烯和Ru衬底的绝缘。 第二部分研究了Ir(111)表面外延单层石墨烯的锗及氧化锗插层。类似氧化硅插层的过程，在Gr/Ir体系中成功实现了锗及氧化锗的插层。首先在Ir(111)表面外延生长单层的石墨烯单晶。然后锗原子插层到石墨烯和Ir衬底的界面，形成了相对于Ir(111)的2×2的二维晶态结构。通过进一步插氧实现界面处锗的氧化，形成了无定形的氧化锗。锗和氧化锗插层都对石墨烯的电子态有一定的调制作用。Raman光谱显示插层后的石墨烯恢复了本征振动模式。XPS测试表明锗和氧化锗的插层导致石墨烯具有不同程度的p掺杂。垂直方向的输运性质表明氧化锗提供的势垒不同于氧化硅提供的势垒，电子在高温区主要以热激发的形式穿越氧化锗，在低温区则是以量子隧穿的形式穿越氧化锗势垒。 第三部分研究了Ru(0001)表面外延双层石墨烯单晶的硅插层及转移。插层技术不仅可以在单层石墨烯体系中实现，而且可以延申到双层石墨烯体系。基于Ru(0001)表面外延的双层石墨烯单晶，通过硅插层技术首次构筑了双层石墨烯/硅烯异质结构。对该异质结进行电子结构表征，发现AB堆垛的双层石墨烯打开了一个0.22eV的较大能隙。结合理论计算表明，该能隙产生的机制有两个方面:石墨烯/硅烯界面处的电荷重排和双层石墨烯自身存在的应力。半导体性质的双层石墨烯和硅烯堆垛而成的异质结构对未来其在器件方面的可能应用有着重要意义。此外，异质原子插层可以削弱双层石墨烯和Ru衬底之间的相互作用，使双层石墨烯恢复为近自由状态。在氧插层技术的辅助下，成功实现了厘米尺寸、AB堆垛、外延双层石墨烯单晶从Ru衬底到绝缘衬底的转移，为进一步实现基于双层石墨烯的功能器件的集成制备奠定了基础。
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