第五章 結果與討論
5.3 熱還原氧化石墨烯之能態密度
由於無法藉由二維變程式跳躍傳輸理論的擬合參數T0去推論得到費米能階附近的 能態密度跟樣品電阻率的相關程度。接下來依照第四章的製程步驟，利用熱蒸鍍系統鍍
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上 10 nm 之氧化鋁(Al2O3)當作氧化層，再分別鍍上金電極於氧化層及石墨烯薄膜，電極 間距皆為3 μm，製作一金屬－氧化層－rGO 的穿隧結(tunneling junction)結構元件，如 圖 5.9 所示。接在 rGO 兩端之電極(E1、E2)主要量測其電子傳輸特性，而分別接在氧化 層及 rGO 之電極(E2、T1)主要量測 rGO 與電極之間的穿隧電流，如此一來可以同時獲 得熱還原氧化石墨烯薄膜的電阻率以及能態密度(density of state)。
圖 5.9 以場發式電子顯微鏡拍攝之熱還原氧化石墨烯穿隧結元件俯視圖。
我們將樣品 rGO5-1 置於室溫真空環境中(~3×10-2 torr)，採用背部外加閘極偏壓的方 式量測其閘極效應，氧化層之電極(T1)作為源極(source)，rGO 之電極(E2)作為汲極 (drain)，矽基板背面當作閘極(gate)，如圖 5.10 所示。首先不施加閘極偏壓(Vg =0 V)，隨 外加偏壓的改變觀察電流之變化，把量測得之電流數據作處理成微分電導 dI
dV
的型 式，並對外加偏壓(Vds)作圖，如圖 5.11 所示。從第三章理論(式 3.20)可知，微分電導代 表熱還原氧化石墨烯本身之能態密度，而微分電導最小值對應到的外加偏壓為迪拉克點 (dirac point)的所在位置，這是石墨烯材料特有的物理特性，因此證實此量測方式可量測 石墨烯材料的本質特性。
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圖 5.10 量測熱還原氧化石墨烯穿隧結元件之閘極效應示意圖。
圖 5.11 未施加閘極偏壓下之微分電導對電壓關係。
接著施加不同的閘極偏壓(Vg = -20~15 V)及不同大小的外加偏壓(V)，量測取得不同 閘極偏壓下之電流變化，並處理成微分電導 dI
dV
的型式，對外加偏壓(Vds)作圖，如圖 5.12 所示，圖 5.12 中箭頭所指之處表示微分電導最小值，其對應到的外加偏壓 VD為迪 拉克點(dirac point)的所在位置。由圖 5.12 可觀察到在零閘極偏壓(Vg = 0)時，迪拉克點 位於零外加偏壓，也是費米能階(Fermi level)的位置，能態密度曲線對稱於費米能階。在 Vg > 0 時，迪拉克點的位置會遠離費米能階，VD往負外加偏壓地方位移，由能帶圖來看 是費米能階高於迪拉克點的位置，位在導帶，使樣品呈現 n 型(n-type)半導體行為。而在 Vg < 0 時，迪拉克點的位置一樣會遠離費米能階，相反的是 VD會往正外加偏壓地方位 移，由能帶圖來看是費米能階低於迪拉克點的位置，位在價帶，使得樣品呈現 p 型(p-type) 半導體行為。
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圖 5.12 對樣品 rGO5-1 施加不同閘極偏壓的微分電導對外加偏壓之關係圖。
藉由量測熱還原氧化石墨烯穿隧結結構的閘極效應，得到迪拉克點的位置隨著閘極 電壓而有所改變，而我們發現也有團隊利用類似結構研究出相同的結果[2]，與先前其他 團隊利用 STM 量測石墨烯薄膜之電性量測以求得其能態密度變化[3]，以不同方法量測 也獲得相同的結果，而不同的是，文獻都探討小電壓之下的結果，而我們研究大電壓之 下能態密度變化，可觀察到能態密度曲線會隨著閘極電壓不同而改變。以先前文獻證明 我們的量測方式是可行，接下來我們就利用穿隧結元件去觀察不同缺陷程度熱還原氧化 石墨烯的能態密度。