CN103493204A - 关于石墨烯的结构和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及基于石墨烯的异质结构以及制备基于石墨烯之异质结构的方法。所述石墨烯异质结构包括：i）第一封装层；ii）第二封装层；和iii）石墨烯层。该异质结构在电子器件中发现应用。

Description

关于石墨烯的结构和方法

本发明一般性涉及有关石墨烯的结构和方法。在一些方面，本发明一般性涉及石墨烯异质结构，即包括石墨烯和至少一种其它材料的结构。

石墨烯可以理解成碳原子排列成蜂窝状晶格的一个原子厚度的平面片（planar sheet）。

为了寻找石墨烯中期望的、预测的或待发现的新现象和应用，据认为重要的是继续提高石墨烯的电子质量（其通常表征为电荷载流子迁移率μ）。通过在经氧化的硅晶片顶部进行机械剥离获得的石墨烯通常表现出μ～10,000cm²V^-1s^-1。¹就典型的载流子浓度n≈10¹²cm^-2而言，这样的质量转换成平均自由程l=(h/2e)μ(n/π)^0.5大约100nm，其中h是普朗克常数，e为电子电荷。另一方面，已表明如果消除石墨烯的非本征散射，则由于电子-声子的弱相互作用，室温（T）下石墨烯的迁移率可以达到约200,000cm²V^-1s^-1。²事实上，就n～10¹¹cm^-2而言，分别在室温和液氦T下证明了通过高电流退火的悬浮石墨烯的μ超过100,000cm²V^-1s^-1和1,000,000cm²V^-1s^-1。^3-5然而，悬浮器件极易碎，容易受环境气氛影响，并且难以以适当的四探针几何构型退火（后者迄今尚未实现）。另外，在高至室温时，需要大量张力来抑制悬浮石墨烯的挠曲型（flexural mode）并保持高μ。⁵最近，通过使用六方氮化硼（hBN）作为用于剥离石墨烯的原子级平滑且惰性的基底实现了突破。⁶在n～10¹¹cm^-2时，显示这样的结构表现出μ～100,000cm²V^-1s^-1。尽管石墨烯中实现的μ得出接近1μm的l，但是迄今还没有这种等级的弹道效应报道。

研究有源传输（active transport）若干年之后，对于石墨烯中电子-电子（“e-e”）相互作用的了解仍然甚少。由于e-e相互作用对薄层电阻的贡献较小，所以常规晶体管结构中e-e相互作用的直接测量需要复杂的分析[Kozikov]。两个紧密排列（closely spaced）的石墨烯薄片的传输特性观察结果可以阐明许多新的相互作用现象，包括例如激子凝聚[MacDonald]。这些作用之一（电子拖曳（electron drag））证实在GaAs/AlGaAs异质结构中是非常有用的工具[Gramila，Sivan]。因为该拖曳是由两种二维电子气（“2DEG”）的电子密度波动之间的扩散引起的，所以其为层内密度激发（density excitation）和层间电子-电子相互作用的探针。

本发明根据上述考虑而设计。

US2007/0187694针对一种晶体管器件，其通过石墨烯层外延沉积到六方BN层上和BN层外延沉积到石墨烯层上而形成。

US2009/029759描述了一种堆叠结构，其由石墨烯外延沉积到六方BN上而形成。

然而，尽管在上述专利中有这种结构的明显讨论，但是在本发明之前，这个概念断然仍仅仅作为理论概念。事实上，在US2009/029759和US2007/0187694公开时，石墨烯外延生长到BN上是在任何地方都尚未实现的方法。因此，它们二者都是理论应用而并没有在实际上付诸实施。事实上，从这些文献中显然的是，使用其中描述的方法无法获得上文提到的应用所涉及的器件。该观点被Liu等人更近期的论文（Direct Growth ofGraphene/Hexagonal Boron Nitride Stacked Layers；Liu,Z.；Song,L.；Zhao,J.；Ma,L.；Zhang,J.；Lou,J.；Ajayan；P.M.；Nano.Lett.；2011；11；2032-2037.)证实，该论文显然首次描述石墨烯沉积在六方BN上和六方BN沉积在石墨烯上。但是，该论文仍有不足，并且所生产的材料是作为一个整体（因为并非BN-石墨烯复合物）被科学界广泛接受。对该论文和早期专利的主要评论之一是作者并未实际拥有该材料，而仅仅是对该材料可能结构和特性进行推测。然而，如由许多为了获得该材料的不成功尝试所证明的，BN（特别是六方BN）上石墨烯的生长是不可预知并且难以实现的。本发明已首次成功地提供可以被生产和表征的BN-石墨烯结构。

例如，在现实中，当尝试形成结构时，本发明发现主要问题之一涉及这样的事实：hBN上石墨烯的沉积可导致许多含有捕获的被吸附物（推测是烃）的“气泡”。这可严重影响石墨烯的电子特性和作为一个整体的异质结构。现有技术中甚至没有考虑这个问题。然而，如果这种气泡存在于器件的有源部分中，则将导致显著的电荷不均匀性并且有效致使器件失效。本发明已经克服了该问题和其它问题。

本发明解决的一个问题在于提供根据本发明的第一方面的异质结构并且还提供包含该异质结构的器件。US2009/029759和US2007/0187694二者都没有解决这个问题。用来获得这些新结构的方法也代表本专利所解决技术问题的一部分。

发明概述

本发明的第一方面可以提供：

石墨烯异质结构，其具有：

第一封装层；

第二封装层；和

布置在第一封装层与第二封装层之间的石墨烯层。

上文中使用的术语石墨烯包括“原始的”（即，未经过化学改性的）石墨烯以及功能化的石墨烯二者。因此形成顶部和/或底部电极的单个石墨烯层可以是石墨烯或功能化的石墨烯。石墨烯还可以通过物理手段（例如热处理）来改性。在下文中，为了简洁起见，本发明将石墨烯和改性石墨烯二者统一简称为石墨烯。

通过以这种方式封装石墨烯层，使石墨烯层较不易受其环境影响，并且可以导致石墨烯具有提高的电荷载流子迁移率μ，细节参见实验1。因此，本发明的第一方面可以提供石墨烯异质结构，其具有100,000cm²V^-1s^-1或更大的电荷载流子迁移率μ，优选地在室温下（例如，20℃）。

优选地，第一封装层包括氮化硼，更优选地是第一封装层为氮化硼。更优选地，第一封装层包括六方氮化硼，更优选地是第一封装层为六方氮化硼。例如，第一封装层可以是六方氮化硼晶体。

优选地，第二封装层包括氮化硼，更优选地是第二封装层为氮化硼。更优选地，第二封装层包括六方氮化硼，更优选地是第二封装层为六方氮化硼。例如，第二封装层可以是六方氮化硼晶体。

六方氮化硼优选地作为第一封装层和第二封装层的材料，因为其可充当石墨烯的原子级平滑且惰性的基底。发现利用六方氮化硼作为第一封装层和第二封装层导致石墨烯异质结构尤其表现出1μm的室温弹道传输距离和高电荷载流子迁移率μ，即使在室温下也是如此，细节参见实验1。认为理论上除六方氮化硼以外的材料（例如氧化铝）也可用作第一封装层和/或第二封装层。然而，不优选这些其它的材料，因为它们不如氮化硼平坦和/或不具有氮化硼所具有的其它有用特性。

优选地，石墨烯层直接相邻第一封装层，即它们之间没有其它层。优选地，第二封装层直接相邻石墨烯层，即它们之间没有其它层。

在一个实施方案中，石墨烯异质结构可以包括第二石墨烯层。这使得能够形成更复杂的器件，包括集成电路的晶体管的若干个层。在该实施方案中，石墨烯层成为第一石墨烯层。第一封装层可以在第一石墨烯层与第二石墨烯层之间。或者，第二封装层可以在第一石墨烯层与第二石墨烯层之间。在另一个实施方案中，石墨烯异质结构包括第三封装层。以这种方式，可以构造石墨烯层与封装层的交替层的夹心结构。每种情况中的封装层可以是不同的材料或者它们可以是全部相同的。

优选地，在适当时，第二石墨烯层直接相邻第一封装层或第二封装层，即它们之间没有其它层。优选地，第三封装层直接相邻第二石墨烯层，即它们之间没有其它层。

第一封装层和/或第二封装层的厚度可以约等于10nm。第一封装层和/或第二封装层的厚度可以为1至1000个BN原子层。

每个石墨烯层优选地为单个石墨烯片，即优选为一个原子厚度。但是，石墨烯层也可以包括多个石墨烯片。例如，石墨烯层可以包括两个石墨烯片（所谓的“双层石墨烯”）乃至三个石墨烯片（所谓的“三层石墨烯”）。认为，超过三个石墨烯片，石墨烯层电子特性的有用性变低。因此，石墨烯层优选地包括不多于三个石墨烯片。然而，当石墨烯可大于三个原子层厚度时，石墨烯层可以包括结构特征和局部缺陷。在其中有多个石墨烯层的实施方案中，每个石墨烯层的厚度与其它石墨烯层的厚度无关。

优选地将石墨烯层成形，例如通过去除层的一部分（例如通过蚀刻，例如通过电子束光刻和/或氧等离子体蚀刻）以形成结构。所述结构可以包括一个或更多个用于连接该结构与外部器件的接触区。例如，所述结构可以是霍尔棒（hall bar）结构，但是同样可能是其它结构，例如，所述结构可以简单地为单一导电轨道。霍尔棒结构是公知的，并且在下文中描述的实验中举例说明了一些实施例。霍尔棒结构可以使得石墨烯异质结构的特性能够被研究，参见例如实验1。在具有多个石墨烯层的实施方案中，可以将一个或更多个石墨烯层成形。

石墨烯异质结构可以包括一个或更多个触点（contact），例如，金属触点，例如用以连接石墨烯层与外部电子器件。所述一个或更多个触点均可布置在一个或更多个单独接触区中，所述接触区包括在石墨烯层中形成的结构中（见上文）。

优选地，第二封装层相对于石墨烯层对准，以便第二封装层只覆盖石墨烯层的一部分，优选使得包括在石墨烯层中形成的结构中的一个或更多个接触区（见上文）不被第二封装层覆盖。这使得在第二封装层沉积在石墨烯层上之后，能够将一个或更多个触点沉积在包括在石墨烯层中形成的结构中的一个或更多个接触区上，例如通过光刻（例如电子束光刻）。

石墨烯异质结构可以包括在其上布置第一封装层的基底。在一个实施方案中，第一封装层直接相邻所述基底，即它们之间没有其它层。所述基底优选地包括硅晶片，优选例如经氧化的硅晶片使得基底具有厚度为约等于100nm的SiO₂。

例如，石墨烯异质结构可具有约等于1μm的宽度。

本发明的第一方面还可提供制备石墨烯异质结构的方法，所述石墨烯异质结构具有：

第一封装层；

第二封装层；和

布置在第一封装层与第二封装层之间的石墨烯层。

该方法可包括一个或更多个任选的另外的步骤，以包括一个或更多个另外的层。因此，可将另外的石墨烯层添加至通过上述方法获得的经封装石墨烯结构。

该方法可以包括任意实施或对应于本发明第一方面相关地描述的任意装置特征的方法步骤。

例如，该方法可以包括：

将石墨烯层沉积在第一封装层上；和

将第二封装层沉积在石墨烯层上，使得石墨烯层布置在第一封装层与第二封装层之间。

作为另一个实例，第一封装层优选包括氮化硼，更优选地是第一封装层为氮化硼。更优选地，第一封装层包括六方氮化硼，更优选地是第一封装层为六方氮化硼。例如，第一封装层可以是六方氮化硼晶体。同样，第二封装层优选包括氮化硼，更优选地是第二封装层为氮化硼。更优选地，第二封装层包括六方氮化硼，更优选地是第二封装层为六方氮化硼。例如，第二封装层可以是六方氮化硼晶体。

作为另一个实例，石墨烯层优选地沉积为使得其直接相邻第一封装层。同样，第二封装层优选地沉积为使得其直接相邻石墨烯层。

作为另一个实例，第一封装层和/或第二封装层可以沉积成具有1至1000个六方氮化硼原子层的厚度。

作为另一个实例，石墨烯层优选地沉积成单个石墨烯片，即使得其优选地为一个原子的厚度。这不包括当石墨烯可大于一个原子层厚度时的结构特征和缺陷。

作为另一个实例，该方法优选地包括将石墨烯层成形以形成结构，所述将石墨烯层成形例如通过去除层的一部分（例如通过蚀刻，例如通过电子束光刻和/或氧等离子体蚀刻）。该成形优选地在石墨烯层沉积之后但第二封装层沉积之前进行。或者，可以在沉积过程中将石墨烯层成形，即在沉积之前成形或生长为某一形状。所述结构可以包括用于将该结构连接至外部器件的一个或更多个接触区。例如，在石墨烯层中形成的结构可以是霍尔棒结构，但是同样可能是其它结构，例如，该结构可以简单地为单一导电轨道。霍尔棒结构是公知的，并且在下文描述的实验中举例说明了一些实施例。霍尔棒结构可以使得石墨烯异质结构的特性能够被研究，参见例如实验1。

作为另一个实例，该方法可包括沉积一个或更多个触点（例如金属触点），例如以连接石墨烯层与外部电子设备。可以将所述一个或更多个触点沉积在（即，使得它们布置在）一个或更多个包括在石墨烯层中形成的结构中的一个或多个接触区（见上文）上。所述一个或更多个触点可以例如通过电子束光刻沉积。

作为另一个实例，该方法可以包括将第二封装层相对于石墨烯层对准，使得第二封装层只覆盖石墨烯层的一部分，优选地使得一个或更多个包括在石墨烯层中形成的结构中的接触区（见上文）不被第二封装层覆盖。优选地，将第二封装层在其沉积在石墨烯层之前对准，例如使用光掩模对准器（optical mask aligner）。

作为另一个实例，该方法可以包括将第一封装层沉积在基底上。其优选地在沉积石墨烯层和沉积第二封装层之前进行。第一封装层优选地沉积使得其直接相邻基底。所述基底可包括例如电介质层和导体层。该基底可以是例如硅晶片，优选经氧化的硅晶片，例如使得基底具有SiO₂绝缘层。

第一封装层可机械地沉积在基底上，例如通过本领域熟知的技术——剥离（机械剥离）。

虽然在下文列出的实验中，石墨烯和氮化硼是从大块晶体上机械剥离的，但是该技术并不很适合于大规模的实施。根据所选择的石墨烯和氮化硼制造工艺，所述层序列可以是在彼此的顶部生长或者由单独制造的层组装。例如，根据本发明的第二方面，可以将石墨烯层沉积在第一封装层上。

同样，根据本发明第二方面的方法，可以将第二封装层沉积在石墨烯层上，例如使用前体结构，所述前体结构包括布置在载体层上的第二封装层，该方法包括：

将前体结构沉积在石墨烯层上，使第二封装层面向石墨烯层（并且因此载体层背向石墨烯层）；和

随后（即，将前体结构沉积在表面上之后）从第二封装层去除载体层。该方法可以包括本发明的第二方面中描述的或与之相关的任意另外的步骤。

该方法优选地包括在沉积所述层中的任一个或更多个之后（特别地在沉积石墨烯层和第二封装层中的任一个或更多个之后），清洁石墨烯异质结构，例如，通过退火，例如在约等于300℃的温度下和/或在氩-氢气氛中，例如以便去除残留物和/或其它污染物。

本发明的第二方面可以提供：

使用前体结构将材料层沉积在表面上的方法，所述前体结构包括布置在载体层上的材料层，该方法包括：

将前体结构沉积在所述表面上，使材料层面向表面（并因此载体层背向表面）；和

随后（即在将前体结构沉积在所述表面上之后）从材料层上去除载体层。

通过以这种方式使用前体结构，可以精确地将非常薄的材料层（例如，材料层可具有10nm或更小的厚度）沉积在表面上。

当用于形成石墨烯异质结构时，该方法特别有利。因此，该方法可以是使用前体结构将材料层沉积在表面上以形成石墨烯异质结构的方法。所述表面可以是存在的石墨烯异质结构的表面。已经提供了该方法可以如何与本发明第一方面和第二方面的异质结构相关地使用的解释。

与常规技术相比，可优选该方法来沉积材料层以形成石墨烯异质结构，因为例如，用于沉积材料层以形成石墨烯异质结构的常规技术（例如，剥离法）可能难以与所述层对准和/或引起污染。

材料层可为适合于形成石墨烯异质结构的材料/厚度。例如，材料层可以是石墨烯或六方氮化硼。材料层的厚度可以例如为10nm或更小。

所述前体结构可能是薄、易碎（delicate）和/或有弹性。因此，前体结构在表面上的沉积可以包括使用支撑件（例如，金属框架）拾取（pickup）前体结构。

为了实现精确的对准，前体结构可以在沉积于表面上之前相对于该表面对准，例如，具有约等于2μm的精确度。

载体层可以通过任意适合的技术去除，优选蚀刻。因此，载体层优选地选择为可蚀刻的，例如可溶的。载体层可以是可通过蚀刻（例如使用丙酮）去除的聚合物，例如聚(甲基丙烯酸甲酯)（“PMMA”）。

载体层的去除可能留下残留物和/或其它污染物。因此，该方法优选地包括在去除载体层之后，清洁包括沉积材料层的结构，例如通过将结构退火，例如在约等于300℃的温度下和/或在氩-氢气氛中，例如以便去除残留物和/或其它污染物。

如上文已解释的，该方法可用于在根据本发明第一方面的方法中形成一个或更多个层和/或在根据第二发明的方法中形成一个或更多个层。

该方法可包括在前体结构沉积在表面上之前制备前体结构。

前体结构的制备可以包括，例如：

将载体层沉积在牺牲载体层上；

将材料层沉积在载体层上；和

去除牺牲载体层以便将包括载体层和材料层的前体结构与牺牲载体层分离。

前体结构的制备可包括首先将牺牲载体层沉积在基底上，例如使载体层和/或材料层沉积同时牺牲载体层布置在基底上。因此，去除牺牲载体层可将包括载体层和材料层的载体层前体结构与牺牲载体层和基底分离。

本文中，基底的使用可以是有利的，因为其提供了可在其上沉积载体层和材料层的初始表面。

优选地，使用载体层对其具有抵抗性的技术来去除牺牲载体层。更优选地，使用载体层对其具有抵抗性的试剂通过蚀刻来去除牺牲载体层。牺牲载体层和/或载体层可以是不同的聚合物，例如易受不同的蚀刻试剂影响。例如，牺牲载体层可以是聚甲基戊二酰亚胺（“PMGI”），载体层是聚(甲基丙烯酸甲酯)（“PMMA”）。因此，牺牲载体层可以通过蚀刻（例如使用PMMA对其有抵抗性的弱碱性溶液）来去除。随后，例如可以使用丙酮从材料层去除PMMA。

本发明的第二方面可提供上述前体结构，即包括布置在载体层上的层或材料的前体结构。所述前体结构可以具有上述特征的任一种。

本发明的第二方面可以提供制备上述前体结构的方法。该制备前体结构的方法可以包括，例如：

将载体层沉积在牺牲载体层上；

将材料层沉积在载体层上；和

去除牺牲载体层以便将包括载体层和材料层的前体结构与牺牲载体层分离。

本发明的第二方面可以提供在该方法中形成的中间体结构，例如具有以下的中间体结构：布置在牺牲载体层上的载体层；和布置在载体层上的材料层。所述中间体结构可以具有任何上述特征，例如牺牲载体层可以布置在基底上。

在另一个方面，本发明可以提供用于包括前述石墨烯异质结构的电子电路中的电子组件。所述电子组件可以是：例如，霍尔探针；例如，场效应晶体管（例如如图41中所描绘的）；晶体管（例如如图42中所描绘的）；光电组件如光电检测器、可变电容器或RF晶体管（例如如图51中所描绘的）。

在另一个方面，本发明可提供包括前述石墨烯异质结构的电子器件。该电子器件可以是：例如液晶显示器（例如如图45中所描绘的）；例如触摸屏、太阳能电池、应变仪或气体传感器（例如如图51中所描绘的）。

本文中，“约等于”优选地指等于不大于50%、40%、30%、20%、10%、5%、2%、或1%的百分比差异（或“误差”）的程度。

本发明还包括所述方面和所述优选特征的任意组合，除非该组合明显不可能或明确避免。

在下文中参照附图讨论了本发明建议的实施方案，在附图中：

图1（a）涉及实验1，其为石墨烯-氮化硼（GBN）器件的光学显微图。

图1（b）涉及实验1，其示出作为GBN器件的背栅电压V_g的函数的σ，以标准的四探针几何构型测量。

图2（a）涉及实验1，其示出与图1（b）相同的器件在不同T下的弯曲电阻。

图2（b）（插图）涉及实验1，其示出霍尔交叉（Hall cross）的原子力显微图。

图2（b）（主图）涉及实验1，其示出具有顶栅的器件的R_B(n)。

图3（a）涉及实验1，其示出固定的n≈6×10¹¹cm^-2的R_B(B)。

图3（b）涉及实验1，其示出以50K和250K测量的霍尔电阻（Hallresistance）R_H。

图3（b）（插图）涉及实验1，其示出圆角的理论上得到的R_H(B)。

图4（a）涉及实验2，其为多层样品的器件示意图。

图4（b）涉及实验2，其为多层样品的光学图像。

图4（c）涉及实验2，其示出量子电容（圆圈）和不同间隔物厚度模拟（实线）的实验结果。

图5（a）涉及实验2，其示出在对称情况下作为层间电压（实线）的函数的拖曳。

图5（b）涉及实验2，其示出在非对称情况下的拖曳电阻。

图5（c）涉及实验2，其示出作为背栅电压的函数的R_drag。

图6涉及实验2，其示出不同V_int下拖曳电阻的温度依赖性。

图6（插图）涉及实验2，其示出三个不同温度下的R_drag(V_int)。

图7涉及实验2，其示出以对数坐标表示的R_drag(n)。

图8至图54是有关本文所公开的发明信息的幻灯片。

实验1：室温下封装的石墨烯中微米级弹道传输的直接证据

由六方氮化硼中封装的石墨烯制备的器件表现出明显的负弯曲电阻和反常的霍尔效应（Hall effect），这是宽范围载流子浓度的微米级室温弹道传输的直接结果。

本发明认为在寻找石墨烯的新现象和应用中重要的是继续提高石墨烯的电子质量（其通常表征为电荷载流子迁移率μ）。通过在经氧化的硅晶片的顶部进行机械剥离获得的石墨烯通常表现出μ～10,000cm²V^-1s^-1。就典型的载流子浓度n≈10¹²cm^-2而言，该质量转换成平均自由程l=(h/2e)μ(n/π)^0.5约为100nm，其中h是普朗克常数，e为电子电荷。另一方面，如果消除石墨烯中的非本征散射，则其在室温（T）下的迁移率可以达到～200,000cm²V^-1s^-1，这是由电子-声子弱相互作用引起的。尽管已经有报道称在石墨烯中获得的μ可以接近1μm，但是实际上这种等级的弹道效应迄今未见报道。

在该实验中，本发明描述了由夹在两个hBN晶体之间的石墨烯制成的器件。如由在弯曲几何构型中所测量的负传输电阻所直接证明的，该器件表现出超过1μm的室温弹道传输距离。如由器件对栅极电压的响应确定的，在低n～10¹¹cm^-2时，器件表现出迁移率μ>100,000cm²V^-1s^-1，即使在室温下也是如此。此外，l随着n的增加持续增长，并且在较高n≈10¹²cm^-2时，发现本发明的器件的纵向导电率σ变得受其宽度w≈1μm限制而非在大块中的散射限制。由弯曲电阻R_B的测量结果，估计封装的石墨烯在低温T下可表现出μ～500,000cm²V^-1s^-1和l≈3μm（在n≈10¹²cm^-2时），其在质量上可以与最好的悬浮器件相媲美。此外，封装使得石墨烯不易受环境影响，并且使得能够使用hBN作为超薄顶栅电介质。

所研究样品（本发明还将其称为石墨烯氮化硼（GBN）异质结构）是通过使用以下多步骤技术制造的。首先，将比较厚的（～10nm）hBN晶体机械地沉积在经氧化的硅晶片（100nm的SiO₂）的顶部。然后，通过在另一个基底上剥离生产亚毫米级石墨烯晶体，并且通过使用对准操作将石墨烯晶体转移到所选择的hBN晶体顶部，所述对准操作类似于在Dean,C.R.；Young,A.F.；Meric,I.；Lee,C.；Wang,L.；Sorgenfrei,S.；Watanabe,K.；Taniguchi,T.；Kim,P.；Shepard,K.L.；Hone,J.Boronnitride substrates for high-quality graphene electronics Nature Nano.2010,5,722-726中所描述的。

采用电子束光刻和氧等离子体蚀刻来限定石墨烯霍尔棒（参见图1、图2中的图像）。石墨烯在hBN上的沉积导致许多包含被截留吸附物（推测为烃）的气泡，并且如果这种气泡存在于本发明器件的有源部分中，则引起显著的电荷不均匀。这限制了w可达到～1μm，因为本发明尝试将中央线安装在无气泡的区域内。

小心地将第二hBN晶体（～10nm厚）与封装的石墨烯霍尔棒对准，但保留接触区开放用于沉积金属（Au/Ti）触点。在一些器件中，顶部的hBN晶体被用作用于局部控制的电介质。在每个转移步骤之后，将该器件在氩-氢气氛中于300℃退火，以去除聚合物残留物和其它污染物。

图1（a）是本发明的GBN器件之一的光学显微图。等离子体蚀刻导致数纳米高的hBN台面，其可以通过使用微分干涉对比可视化。为了提高台面的可视性，其轮廓通过细灰线示出。斜虚线表示顶部hBN晶体的边缘。图1（b）示出在两个T（实曲线）下测量的σ(V_g)。虚曲线是通过使用Landauer-Buttiker公式和通过w=1μm的量子线的传输概率数值模型计算的σ。在该计算中，本发明假设扩散性边界散射和石墨烯块在230K和4K时的本征平均自由程分别为l_i=1.5μm和3μm，它们是由如下文所述R_B的测量值推断的值。

图1（b）示出以标准的四探针几何构型测量的作为GBN器件背栅电压V_g的函数的σ。σ的最小值发生在V_g≈-0.1V，表明极小的非本征掺杂（～10¹⁰cm^-2）。在小空穴浓度n～10¹¹cm^-2时，σ(V_g)的斜率在4K和室温T下可分别得出μ≈140,000cm²V^-1s^-1和100,000（在低n时，电子的μ约低30%）。所述值与所测量的霍尔迁移率（Hallmobility）相一致。一般，在低n时，本发明的GBN器件表现出μ为20,000cm²V^-1s^-1至150,000cm²V^-1s^-1，在大多数情况下倾向于≈100,000cm²V^-1s^-1。图1（b）的另一个显著特征是σ(V_g)的相对弱的T依赖性，这是出乎意料的，因为预计电子-声子散射开始在这种质量的石墨烯中起重要作用。此外，σ(V_g)的强次线性行为对于以四探针几何构型测量的石墨烯而言不同寻常。如下文所示，这些特征都与受边界散射限制的电子传输相关，使得σ=2e²/h(k_Fl)∝n^1/2∝V_g ^1/2，其中l～w，并且因此与T的相关性弱。如果通过本发明器件（～3μm长）的估计传输概率Tr，则也可以理解边界散射的重要性。为此，量子电导的标准Landauer-Buttiker公式G=(4e²/πh)(k_Fw)Tr在高n时可得出Tr≈0.3至0.5，这表明为准弹道传输。

为了获得关于GBN块的电子质量的其它信息，本发明研究了弯曲电阻R_B。为此，在触点2与1之间施加了电流I₂₁并在探针3与4之间测量电压V₃₄（见图2），可得出R_B=R_34,21=V₃₄/I₂₁。不同的弯曲构造（例如，R_14,23和R_32,14）得出类似的R_B(V_g)。对于扩散导体，R_B应等于ln2/πσ。范德堡（van der Pauw）公式使用扩散近似值，并且可以精确地描述标准质量石墨烯的R_B(V_g)。然而，在本发明的高μ器件中这种形式完全失效。事实上，R_B变为负值，这表明比方说从触点2注入的大多数电荷载流子可以到达触点4而不被散射。在基于GaAlAs异质结构和所需l_i>>w的高μ二维气体中观察到这种违反直觉的负电阻，其中l_i是所述块的平均自由程。这标志着可能有由于以前质量不足而在以前不可能的电荷载流子弹道传播。

图2（a）示出与图1（b）相同的器件在不同T下的弯曲电阻。曲线从底部到顶部分别对应2K、50K、80K、110K、140K、200K和250K。虚曲线是使用σ(V_g)和范德堡（van der Pauw）公式计算的R_B。图2（b）（插图）示出本发明的霍尔交叉之一的原子力显微图。尺寸是根据器件的宽度w≈1μm给出的。该附图示意性地描绘了弯曲测量几何构型和在随后的微细加工阶段沉积穿过其中一条导线的狭窄的顶栅（以红色表示）。图2（b）（主图）示出具有这样的顶栅的器件的R_B(n)。可以通过施加顶栅电压V_tg（其产生额外的势垒和反射电子）来抑制负R_B。

与图1（b）中的标准几何构型测量结果相反，图2（a）中的R_B表现出非常强的T依赖性，与对高μ石墨烯的预期一致。⁸尽管有这种额外的声子散射，但是对于所有的T≤250K而言在高n的情况下，R_B保持为负值并且没有接近在扩散区域（diffusive regime）中期望的栅依赖性（图2（a）中的虚曲线）。这个观察结果得出在室温T下l_i>w≈1μm，这是观察负R_B必要的条件。R_B的强T依赖性也意味着l_i随着T的降低而显著地提高。弹道传输通过霍尔交叉的补充证据来自具有置于穿过电位引线之一的额外势垒的器件（图2（b））。当将电压施加于窄顶栅时，势垒将载流子反射回到该交叉，并且因此抑制负R_B。另外，注意到，在本发明可以从线性依赖性σ∝V_g确定μ（如～140,000cm²V^-1s^-1）的低n区域（|V_g|<0.5V）时，如所预期的，R_B保持为正，因为相应的ll=(h/2e)μ(n/π)^0.5≤0.5μm不足以引起负R_B。

为了阐明本发明的GBN异质结构中的微米级弹道传输，图3（a）示出作为磁场B之函数的R_B，磁场B以固定的V_g(在这种情况下为+3V)垂直于石墨烯施加。正如预期，随着B的增加，R_B改变其符号，因为注入的电子由B弯曲并且不再能够到达相反的弹道触点。图3（a）中的特征场B₀为～0.1T，其对应于回旋加速器轨道半径

其等于w，与理论值一致（在这种情况下，n≈6×10¹¹cm-²）。此外，预期弹道传输将引起霍尔电阻R_H的异常行为，使其不再是B的线性函数。事实上，图3（b）示出本发明的器件在相同的特征性B₀表现出具有显著弯曲（kink）的非线性R_H(B)。该异常通常被称为最后的平顶（last plateau）并且在扩散系统中不存在。该弯曲在室温T下几乎消失（图3（b）），表明本发明更接近了扩散区域。R_H(B)的函数形式强烈的依赖于霍尔交叉的精确形状，并且如果交叉具有尖角，那么异常变得较小，与本发明器件中的情况一样（参见图2（b）中的图像）。

负R_B的磁场行为在R_H中是异常的并且顶栅的影响明白地证明：在本发明的霍尔交叉中，电荷载流子可以到达相反的弹道引线而没有散射。这得出在观察到大的负R_B（|n|≥2x10¹¹cm^-2）时，就所有的|V_g|>1V而言，l大于1μm。为了理解如此大的l值，本发明提到在悬浮器件⁴和在BN上的石墨烯中，仅在低n～10¹¹cm^-2下报道了超高μ，其转换为亚微米级的l，⁴并且在低T下，仅在具有百万μ的悬浮器件中实现了l≈1μm。

图3涉及磁场中的弹道传输。图3（a）示出固定n≈6×10¹¹cm^-2下的R_B(B)。T（从曲线底部到顶部，分别）为50K、80K、110K、140K、200K和250K。插图：使用弹球模型⁷（billiard-ball model）针对霍尔交叉计算并且适用于本发明的石墨烯器件和上述n的情况的R_B(B)。图3（b）示出以50K和250K测量的霍尔电阻R_H。图3（b）（插图）示出圆角的理论上得到并且适用于本发明的情况的R_H(B)。插图中的红线表示扩散界限。

对于l_i>w，边界散射使得σ仅与石墨烯的块质量弱相关，并且为了获得与上述刚刚≥1μm的li相比更好的估计，本发明采用了数值模拟。本发明采用弹球模型（Beenakker，C.W.J.；van Houten，H.Billiard model ofa ballistic multiprobe conductor.Phys.Rev.Lett.1989，63，1857-1860）并且假设扩散性边界散射来计算R_B。如果散射假设是镜面的，则所计算的R_B不能达到实验观察的大的负值。这与一般的预期一致：蚀刻石墨烯的边缘一般是粗糙的并且扩散地散射。扩散边界散射降低了弹道导线的σ（传输概率降低），但是由于准直效应（collimation effect）使得R_B更负。这与本发明的实验结果相一致，本发明的实验结果示出：空穴具有较高的σ（更大弹道性），但是电子的R_B更负，反之亦然（参见图1和图2）。这种不对称可以归因于电子在边界扩散中较大程度的扩散性，其意味着打破边界电子-空穴的对称的额外的电荷。在扩散性散射的假设下，就|n|>2×10¹¹cm^-2(|V_g|>1V)而言，所测量的RB得出在室温T下l_i≈1.5μm并且在50K以下时，l_i≈3μm。尽管确切的值是通过使用数值模型和假设扩散边界推测得出的，但是这种大的l_i对定性地解释大的负R_B及其强T依赖性两者是必要的（例如，l_i≤1μm可能与这些观察结果不一致）。推测得出的li还使得能够理解σ的行为及其弱T依赖性，并且图1b中的虚曲线示出在相同模型和参数下计算的σ(Vg)。

最后，本发明注意到，就n≈4×10¹¹cm^-2而言，此时R_B达到其最负的值，l_i≈3μm意味着本征μ～500,000cm²V^-1s^-1。这与从在显著较低n≈1×10¹¹cm^-2（此时电荷不均匀性保持显著）的场效应发现的μ～150,000cm²V^-1s^-1相一致。后者的区域对应于l_i≤0.5μm并且不允许负的R_B，与该实验结果一致。为了通过使用标准场效应测量来确认上述在高n下的μ，可能需要w>5μm的GBN器件，这是迄今未能实现的，因为所提到的导致电荷不均匀性的气泡。

总之，封装在hBN中的石墨烯表现出强弹道传输，其具有大的负迁移电阻和在低T下超过～3μm的平均自由程。远离中性点，（就载流子浓度大于10¹¹cm^-2而言)，本发明1μm宽器件的纵向传导率变得受样品边界处的扩散散射限制。所展示的石墨烯氮化硼异质结构是相对于先前已报道器件的进一步改进，并且示出用以在基底上实现石墨烯的百万迁移率的方式。

实验2：非弱相互作用双层BN-石墨烯异质结构中的库仑拖曳（Coulombdrag）

在该实验中，观察多层氮化硼/石墨烯异质结构的制造。所开发的技术允许将石墨烯封装在两个六方BN晶体之间同时保持载流子迁移率高达10m²/Vs。示出了两个紧密排列的、独立地接触石墨烯层的传输研究结果。由于小层间分离，库伦拖曳表现出不同寻常的行为，超出了先前研究的弱相互作用区域的范围。

研究有源传输若干年之后，对石墨烯中电子-电子相互作用的了解仍然甚少。由于其对薄层电阻的贡献较小，所以常规晶体管结构中的电子-电子相互作用的直接测量需要复杂的分析。两个紧密排列的石墨烯薄片传输特性的观察结果可以阐明各种新的相互作用现象，包括例如激子凝聚。电子拖曳是由在两个二维电子气（“2DEG”）的电子密度波动之间的散射引起的并且是层内密度激发和层间电子-电子相互作用的探针。

在该实验中，本发明报告了高质量BN/石墨烯异质结构并且研究了它们的传输特性。通过与GaAs/AlGaAs的双量子阱异质结构进行类比，在本发明的样品中发现了拖曳效应。然而，在GaAs样品中，两个量子阱之间的间隔物被漏电流限制为约～7.5nm，并且量子阱大小本身通常为～15nm，这使得2DEG中心之间的距离为至少为20nm。所给出的技术使得两个石墨烯层之布置更近了约一个数量级，相隔只有几纳米厚的BN晶体，同时保持漏电流微乎其微。本发明通过在两层之间施加电压，能够实现高至2·10¹²的载流子浓度。因此，在与常规Si背栅（其主要影响底层）组合时，顶层（n_t）和底层（n_b）的浓度可以独立控制。所报道技术的另一个优点是高至室温下本发明的样品的高迁移率，这是由于这样的事实：石墨烯层仅与化学惰性且原子级平整的六方氮化硼片接触。化学惰性且原子级平整的六方氮化硼片的使用是本发明作为一个整体的一个重要特征，而不仅仅是该实验成功的重要因素。

样品制造始于使用标准的机械剥离技术[PNAS]将BN晶体沉积在Si/SiO₂晶片顶部上。然后，本发明选择一个干净并且均匀的BN片并且将一个大的石墨烯晶体转移至其顶部上。在使用氧等离子体蚀刻将该石墨烯薄片成形为霍尔棒之后，再将几个层厚的BN间隔物转移至其上。间隔物是对准的，使得其只覆盖霍尔棒结构而不覆盖石墨烯“引线”（参见图4（a））。最后，转移顶部的石墨烯层，接着进行标准的触点沉积。因为底部薄片的部分仍是开放的，所以可以在一个电子束光刻运行中将触点做到两个层上。顶层也可以通过仔细的蚀刻成形，接着是底层的台面结构。每个转移阶段之前在Ar/H₂中于300℃退火几个小时以清洁表面。

图4（a）是多层样品的器件示意图。在图4（a）中描绘的层顺序如下：厚BN下层（蓝色）、底部石墨烯（灰色）、薄BN间隔物（红色）和顶部石墨烯层（深灰色）。

图4（b）是多层样品的光学图像。红线表示BN间隔物的边缘。尽管在这些条件下，BN上的石墨烯的对比度消失，但是由于BN下层的部分蚀刻可以看见底部霍尔棒。比例尺为5μm。

图4（c）示出不同间隔物厚度下的量子电容（圆圈）和模拟（实线）的实验结果。

转移步骤涉及将标准薄片沉积在Si/PMGI/PMMA堆叠体（stack）的顶部，接着通过在弱碱性溶液中蚀刻去除PMGI脱模层剥离PMMA膜。在此步骤中，具有薄片的顶部PMMA表面保持干燥。然后，将该膜拾取在支撑件（金属环）上，对准并面朝下放置在目标基底上。使用精度为约2μm的光学掩模校准器来进行对准。在转移之后，将PMMA载体膜溶解于丙酮中。经转移的薄片的退火常常伴有有机物质和气体物质的微小气泡形成，因此进行光刻来将霍尔棒（hall-bar）置于这些气泡之间。

本发明已经研究了具有不同间隔物厚度（d）（2nm、2.8nm、3.6nm）的三种样品。虽然样品显示了非常相似的性能，但是为了在没有明显泄露的情况下获得较高的载流子浓度，本文中示出的大多数结果已经在较厚的器件上测量过。对于最厚的器件，穿过BN夹层的泄露小偏压下无法检测到（＞1GΩ），并且在0.6V下漏电流指数上升至约1nA。对器件表面的AFM研究确定各层为平坦的，并且均匀间隔，RMS粗糙度低于

每个结构与底层具有10个触点，并且与顶部具有至少6个触点。底层的载流子迁移率（最高为15m²V^-1s^-1）优于顶部的载流子迁移率（2.5m²V^-1s^-1至5m²V^-1s^-1）。

层间间隔物的良好质量使得本发明能够在石墨烯层之间使用电压V_int以控制电荷密度。与主要影响底层的背栅一起，可以实现顶层浓度（n_t）和底层浓度（n_b）的不同组合。然而，载流子密度不再是电压V_int的线性函数。

为了对此进行探索，已经研究了本发明的器件的电容（图4（c））。这已经通过根据霍尔效应测量电荷载流子浓度n（V_inter）来完成：n=eB/R_H（其中，B为磁场，R_H为霍尔电阻）。然后通过微分：C＝edndV_inter获得电容（每单位面积）。只要在石墨烯片中存在一种类型的载流子（即，不太接近NP），该方法就是有效的。图4（c）中显示的结果表明对于带有金属板的电容器，C并不是如预期那样的恒定。偏差是由源于石墨烯中低电荷载流子浓度和作为串联电容操作的量子电容C_q所导致的。在T=0并且忽略无序性的情况下，

其中v_F=1.1·10⁶m/c是费米速度。总电容是C＝(2/C_q+d/εε₀)^-1，其中ε=4.8为BN的介电常数，而系数2是因为本发明具有两个由石墨烯制成的板的事实。使用厚度作为唯一的拟合参数，本发明获得d为约4nm，其与AFM测量的结果一致。

这里，ε=4.8是AC值，其中v_F取值1.1×10⁶。

因为2DEG很接近，所以在每层电子密度波动之间的散射事件中出现动量转移。驱动电流I_a在多个层（有源）之一中流通导致在其它层（无源）中产生拖曳电流。在两个层具有相同的载流子类型（n-n，p-p）的情况下，这两种电流具有相同的方向，并且在n-p（p-n）结构的情况下，电流的方向相反。因此，开路结构中的拖曳电阻R_drag=V_p/I_a在n-n（p-p）情况下为负，在p-n（n-p）情况下为正，并且如果多个层之一具有零平均浓度则拖曳电阻为零。

由于在本发明的器件中观测到可以忽略的固有掺杂（估计），所以对于两个层而言零栅极电压导致E_F=0。然后，向顶层施加恒定电压V_int（底层接地），产生符号相反的相等电荷密度n=n_t=-n_b。对于拖曳测量而言，底层用作有源层，并且顶层用作无源层，但是有源层与无源层互换并不显著改变拖曳电阻（5%以内）。如所预期的，测量的拖曳电阻不依赖于驱动电流（在20K以上最高至0.5μA），并且在AC/DC两者的设置中相同。

图5（a）示出了对称情况下n=n_t=-n_b的作为层间电压的函数的拖曳（实线）。虚线示出了B=0.5T下，顶层的R_xy（相同的V_int标度，垂直标度未示出）。水平点线表示R_xy=0。曲线图分别示出了底层和顶层的费米能级。T=124K。

图5（b）示出在非对称情况下的拖曳电阻：在载流子类型相同的两个层中都为负值（黑色曲线-空穴，红色-电子），并且p-n（n-p）构型情况下为正值。该图涉及蓝色曲线。T=124K。

图5（c）示出在不同V_int下，作为背栅电压的函数的R_drag。T=110K。该图涉及黑色曲线。

图5（a）示出当V_back=0，即n=n_t=-n_b时，作为层间电压V_int的函数测量的R_drag。在电子中性（EN）点V_int=0时，空间的不均一性将石墨烯裂解成随机热弥散的电子-空穴坑系统[Yacoby]并且平均R_drag接近零。随着产生更多弥漫浓度（inform concentration），R_drag突然上升，达到最大，然后由于屏蔽引起的层间相互作用减弱而降低。

为了估测在V_int中的非均匀区域有多大，本发明测量了顶层的R_xy，其中迁移率较低（图5（a）中的虚线）。R_xy的最大值和最小值对应于从均匀浓度区域（当R_xy应降低为1/n时）至非均匀区域（其中由于有限的温度和潜在的无序，存在两种类型的载流子）的交叉。它们的位置（由在V_int=±0.05V的竖直的点线表示）几乎准确匹配拖曳电阻R_drag的峰（在图中以竖直的点线表示）。因此，本发明认为，R_drag(V_int)的中央深处与低能量的气体的非均匀性直接相关。

当施加有限的背栅电压V_back时，这两个层都具有相同类型的载流子：拖曳电阻为负值，如图5（b）所示。引入V_int将增加一个薄片中的浓度并且耗尽其它薄片中的浓度。最终，这些层之一的EN点将会与费米能级相匹配，在该点，R_drag将会改变符号通过0。这种转变的大小再次与无序性有关。因为在这些层中的迁移率不同，两个转变是不对称的。

拖曳电阻也可以作为V_back的函数来测量。图5（c）示出不同载流子类型组合的这样的测量结果：V_int=0mV、50mV、-100mV。由于部分屏蔽，背栅电压以不同的方式影响两层中的浓度，并且由于其对称地限定浓度n_t、n_b以及直观的清晰性，本发明建议进一步探究类似于图5（a）中给出的测量结果。

图6示出就不同V_int而言，拖曳电阻的温度依赖性。实线示出对应于2次幂的斜率。图6（插图）示出在三个不同温度下的R_drag(V_int)。

因为库伦拖曳源自层间散射过程，所以其是由散射事件中可利用的相位空间所决定的。文献中施加于石墨烯的库伦拖曳的一般理论是基于其中屏蔽的层间相互作用依赖于波矢量

和频率ω的二阶摄动理论（perturbation theory）。对于弹道区域而言，当平均自由程I>>d（这无疑是本发明实验条件的情况）时，拖曳电阻率可以估计为：

${\mathrm{\&rho;}}_D\&Proportional;{\left(\frac{k_{B}T}{E_F}\right)}^2\underset{\stackrel{\&RightArrow;}{q}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|U_{12}(\stackrel{\&RightArrow;}{q},0)\right|}^2---\left(1\right)$

图6的插图示出了实验T与拖曳效应的相关性：R_drag随着温度的下降而减小，在T约为30K时进入介观区域。不同层间电压值的提取R_drag（T）以对数坐标示于图6中。在实验精度的范围内，曲线是线性的，在高浓度时斜率γ接近2。

认为，平方差相关性可以源于例如辅助拖曳机制。存在两种可能的附加拖曳机制：虚声子和等离子体拖曳增强。另一可能的原因是由于C（T）或k_BT所引起的载流子浓度的变化。

现在讨论在T²下，系数的浓度相关性。就相同石墨烯层而言，屏蔽层间的相互作用可以由下面的一般表达式获得：

$U_{12}(\stackrel{\&RightArrow;}{q},\mathrm{\&omega;})=\frac{v_c\left(q\right)}{2{\&lsqb;v_c\left(q\right)\mathrm{\&Pi;}(q,\mathrm{\&omega;})\&rsqb;}^2\sinh \left(\mathrm{qd}\right)+\&lsqb;1+2v_c\left(q\right)\mathrm{\&Pi;}(q,\mathrm{\&omega;})\&rsqb;\exp \left(\mathrm{qd}\right)}---\left(2\right)$

其中，石墨烯的极化函数П(q,ω)可以从文献中获取，并且裸库仑相互作用的傅里叶分量ν_c(q)（Fourier component of the bare Coulombinteraction）应从本发明的几何构型的静电问题的解决方案获得。就具有介电常数分布的三域介质而言：

$\mathrm{\&epsiv;}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&epsiv;}}_1,& z>d\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_2,& d>z>0\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_3,& z<0\end{array}\right.$

其具有

$v_c\left(q\right)=\frac{8{\mathrm{\&pi;e}}^2{\mathrm{\&epsiv;}}_2\exp \left(\mathrm{qd}\right)}{q\&lsqb;({\mathrm{\&epsiv;}}_2+{\mathrm{\&epsiv;}}_1)({\mathrm{\&epsiv;}}_2+{\mathrm{\&epsiv;}}_3)\exp \left(2\mathrm{qd}\right)-({\mathrm{\&epsiv;}}_2-{\mathrm{\&epsiv;}}_1)({\mathrm{\&epsiv;}}_2-{\mathrm{\&epsiv;}}_3)}---\left(3\right)$

之前关于石墨烯中的拖曳的理论工作描述了当层间距离远大于屏蔽电子密度波动κd>>1（其中，

为反托马斯-费米屏蔽半径（inverse Thomas-Fermi screening radius)，ε为介质的平均介电常数）时的弱相互作用的区域。根据石墨烯的库伦拖曳理论，拖曳电阻R_drag与T²d^-4n_t ^-3/2n_b ^-3/2成比例。

显然，本发明没有局限于理论工作。在本发明的器件的载流子浓度为2·10¹²cm^-2的情况下，参数κd接近于1，除此以外总是较低。与本发明的实验结果进行对比显示出显著的偏差为n^-3的相关性。图7示出作为n的函数以对数坐标绘制的来自图5（a）的拖曳电阻。正如可见的，斜率增加，在高浓度时几乎达到n^-2。斜率行为再现了正n和负n（实曲线和虚曲线）二者，并且不依赖于温度（不同的颜色表示不同的温度）。斜率随着参数κd增加的事实可能表明当满足κd>>1时，其最终可以达到3。

基于方程式（1）至（3）的计算结果以绿色实线示于图7中，并且实际上与实验结果很接近。需要注意的是就相反的限制κd<<1而言，拖曳电阻率的浓度依赖性是：

${\mathrm{\&rho;}}_D\left(n\right)\&Proportional;\frac{1}{n}\ln \frac{1}{\mathrm{kd}}\&Proportional;\frac{1}{n}\ln \frac{1}{{\mathrm{nd}}^2}.$

图7示出以对数坐标表示的R_drag(n)。不同的颜色对应不同的温度，实线和虚线分别对应正n和负n。紫色实线代表n^-1。本发明计算的结果以绿色线示出，并接近n^-2。

当用在本说明书和权利要求书中时，术语“包括”和“包含”及其变体意为包括指定特征、步骤或整体。该术语不应解释为排除其它特征、步骤或整体的存在。

在前面的描述中、或者在所附权利要求书中、或者在附图中公开的特征以其具体形式或者用于进行所公开功能的装置形式、或者用于获得所公开结果的方法或过程来表示，适当时，这些特征可以分开或以任意组合用于以其多种形式实现本发明。

虽然已结合上述示例性实施方案描述了本发明，但是当给出本公开内容时，许多等效的修改和变化对于本领域的技术人员而言是明显的，而不脱离所公开广泛概念。因此，如参照描述和附图所解释的，旨在基于此授权之专利的范围仅受所附权利要求书限制，而不受本文所述的实施方案限制。

Claims (35)

1.一种石墨烯异质结构，其具有：

第一封装层；

第二封装层；和

布置在所述第一封装层与所述第二封装层之间的石墨烯层。

2.根据权利要求1所述的石墨烯异质结构，其中所述第一封装层和/或所述第二封装层是六方氮化硼。

3.根据权利要求1或2所述的石墨烯异质结构，其中所述石墨烯层直接相邻所述第一封装层，并且所述第二封装层直接相邻所述石墨烯层。

4.根据前述权利要求中任一项所述的石墨烯异质结构，其中所述石墨烯层是单个石墨烯片。

5.根据前述权利要求中任一项所述的石墨烯异质结构，其中使所述石墨烯层成形以形成结构。

6.根据前述权利要求中任一项所述的石墨烯异质结构，其中所述石墨烯异质结构包括一个或更多个触点，所述一个或更多个触点中的每一个布置在一个或更多个相应的接触区上，所述接触区包括在形成于所述石墨烯层中的结构中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的石墨烯异质结构，其中所述第二封装层相对于所述石墨烯层对准，使得所述第二封装层只覆盖所述石墨烯层的一部分，使得包括在所述石墨烯层中形成的结构中的一个或更多个接触区不被所述第二封装层覆盖。

8.根据前述权利要求中任一项所述的石墨烯异质结构，其中所述石墨烯异质结构包括在其上布置有所述第一封装层的基底。

9.根据前述权利要求中任一项所述的石墨烯异质结构，其中所述异质结构还包括第二石墨烯层。

10.一种制备石墨烯异质结构的方法，所述方法包括：

将石墨烯层沉积在第一封装层上；和

将第二封装层沉积在所述石墨烯层上，使得所述石墨烯层布置在所述第一封装层与所述第二封装层之间。

11.根据权利要求10所述的方法，其中通过剥离将所述第一封装层沉积在所述基底上。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中使用前体结构将所述石墨烯层沉积在所述第一封装层上，所述前体结构包括布置在载体层上的所述石墨烯层，所述方法包括：

将所述前体结构沉积在所述第一封装层上，所述石墨烯层面向所述第一封装层；和

随后，从所述石墨烯层去除所述载体层。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中使用前体结构将所述第二封装层沉积在所述石墨烯层上，所述前体结构包括布置在载体层上的所述第二封装层，所述方法包括：

将所述前体结构沉积在所述石墨烯层上，所述第二封装层面向所述石墨烯层；和

随后，从所述第二封装层去除所述载体层。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中所述方法包括在沉积任一个或更多个所述层之后，通过退火清洁所述石墨烯异质结构。

15.一种使用前体结构将材料层沉积在表面上的方法，所述前体结构包括布置在载体层上的所述材料层，所述方法包括：

将所述前体结构沉积在所述表面上，使所述材料层面向所述表面；和

随后，从所述材料层去除所述载体层。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述材料层的厚度为10nm或更小。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述方法是使用前体结构将材料层沉积在表面上以形成石墨烯异质结构的方法。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中所述材料层是石墨烯或六方氮化硼。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中将所述前体结构沉积在所述表面上包括使用支撑件拾取所述前体结构。

20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中在将所述前体结构沉积在所述表面上之前将其相对于所述表面对准。

21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，其中通过蚀刻去除所述载体层。

22.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，其中所述方法包括在去除所述载体层之后，通过退火清洁所述包括所沉积的材料层的结构。

23.根据权利要求15至22中任一项所述的方法，其中所述方法用于形成根据权利要求11至14中任一项所述的方法中的一个或更多个层。

24.根据权利要求15至23中任一项所述的方法，其中所述方法包括通过以下来制备所述前体结构：

将所述载体层沉积在牺牲载体层上；

将材料层沉积在所述载体层上；和

去除所述牺牲载体层以将包括所述载体层和所述材料层的前体结构从所述牺牲载体层分离。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述方法包括首先将所述牺牲载体层沉积在基底上，使得在所述牺牲载体层布置在所述基底上的同时沉积所述载体层和/或材料层。

26.根据权利要求24或25所述的方法，其中使用所述载体层对其具有抵抗性的技术去除所述牺牲载体层。

27.一种前体结构，其包括布置在根据权利要求25至26中任一项所述的载体层上的层或材料。

28.一种制备根据权利要求24至26中任一项所述的前体结构的方法。

29.一种根据权利要求28所述的方法形成的中间结构。

30.一种用在电子电路中的电子元件，其包括前述石墨烯异质结构。

31.一种电子器件，其包括前述石墨烯异质结构。

32.一种石墨烯异质结构，其基本上如参考附图并且如附图所示的本文中描述的任一个实施方案所述。

33.一种前体结构，其基本上如参考附图并且如附图所示的本文中描述的任一个实施方案所述。

34.一种中间体结构，其基本上如参考附图并且如附图所示的本文中描述的任一个实施方案所述。

35.一种方法，其基本上如参照附图并且如附图所示的本文中描述的任一个实施方案所述。

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