石墨烯超低方阻的实现 | 霍尔效应模型验证

石墨烯因其高载流子迁移率（~200,000 cm²/V·s）、低方阻和高透光性（~97.7% ） ，在电子应用领域备受关注。然而，单层石墨烯的电学性能受限于表面掺杂效应（如PMMA残留或环境吸附物引起的p型掺杂）和衬底散射效应。多层石墨烯（MLG）通过增加层数可提升机械稳定性和电学性能，但其层间界面性质（如载流子密度、迁移率分布）显著影响整体性能。传统理论认为，MLG的方阻（Rₛ）与层数（N）成反比，但实际中由于层间电学性质不均匀，该关系可能偏离理论预测。本研究通过调控层间掺杂状态结合ECOPIA霍尔效应测试仪精确测量电学参数，揭示了界面工程对MLG电学性能的调控机制。

石墨烯样品的制备与表征

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样品制备  两种多层石墨烯样品的制备:(a)层间未掺杂石墨烯(u-MLG);(b)层间掺杂石墨烯(d-MLG)

• 单层石墨烯生长：通过CVD在Cu箔上生长部分覆盖（20%-84%）和完全覆盖（30分钟+1 sccm甲烷）单层石墨烯（SLG）。  
• 多层石墨烯转移：采用逐层转移法，通过聚甲基丙烯酸甲酯PMMA辅助转移和铜蚀刻实现u-MLG（无掺杂）和d-MLG（苯并咪唑掺杂）的制备。u-MLG通过400°C退火去除PMMA，d-MLG则用丙酮去除。  

表征技术  (a)u-MLG与d-MLG的结构示意图(b)多层石墨烯的光透过率随层数变化曲线(c) XPS光谱C 1s峰(d) XPS光谱N 1s峰(e)拉曼光谱(f)掺杂后G峰和2D峰的蓝移(g)2D峰与G峰强度比（I₂ᴅ/I_G）随层数变化曲线

• 电学性能：范德堡结构（9×9 mm²）测试方阻（Rₛ）、霍尔迁移率（μ）和载流子面密度（nₛ）。  
• 光谱表征：拉曼光谱（532 nm激光）分析缺陷（D峰）、晶体质量（G峰）和层数效应（2D峰）；XPS检测掺杂状态（C 1s、N 1s峰）。  
• 光学性质：石英衬底上测试550 nm光透过率。  

界面效应对电学性能的影响

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u-MLG与d-MLG的电学性能：(a) 方阻；(b) 载流子面密度；(c) 迁移率

• 方阻的层数依赖性  

u-MLG与d-MLG的方阻Rₛ均随层数增加而降低，但d-MLG下降更显著（280→25 Ω/sq vs 705→104 Ω/sq）。  d-MLG的实验方阻Rₛ与理论预测（Rₛ= Rₛ,singleLayer / N）吻合，表明层间电学性质均匀；而u-MLG的实测Rₛ高于理论值，暗示层间性质差异。

• 迁移率与载流子密度的差异机制  

d-MLG：nₛ随层数线性增加（斜率1.6×10¹³ cm⁻²/层），μ恒定（~1400 cm²/V·s），符合常规导电理论。  u-MLG：nₛ几乎恒定（~1×10¹³ cm⁻²），μ随层数增加（1040→4000 cm²/V·s）。内层石墨烯因低nₛ和高μ，减少了杂质与衬底散射，提升了整体迁移率。

• 异质结霍尔效应模型验证  

通过异质结模型拟合，u-MLG的内层载流子密度（p₃=5.6×10¹¹ cm⁻²）和迁移率（μℎ₃=5245 cm²/V·s）被提取，证实内层高μ特性。

表面掺杂与导电通道调控 

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u-MLG及其顶层掺杂后的电学性能：(a)方阻;(b)迁移率;(c)载流子密度

• 顶层掺杂的调控作用  

u-MLG顶层滴涂苯并咪唑后，nₛ统一提升至3.0×10¹³ cm⁻²，μ下降约450 cm²/V·s（因顶层掺杂导致散射增加）。  此策略实现了载流子密度与迁移率的解耦控制，适用于优化透明电极性能。

• 混合导电通道设计  

(a) 不同附加层覆盖度的石墨烯转移至SiO₂/Si表面的光学显微镜图像(b) 单层至双层石墨烯的电阻模型(c) 混合导电通道样品的方阻随双层占比变化曲线(d) 对应的载流子密度（红）与迁移率（蓝）变化

 

通过堆叠不同覆盖度的u-MLG（如20%覆盖第二层），构建串联-并联混合导电通道。双层层占比增加时，Rₛ从705降至364 Ω/sq，nₛ保持恒定，μ显著提升。该设计通过优化层间耦合，进一步提升电学性能。本研究表明，多层石墨烯的电学性能可通过界面工程精准调控：层间掺杂（d-MLG）通过提升载流子密度降低方阻，适用于高导电性需求场景。无掺杂多层堆叠（u-MLG）依赖内层的高迁移率特性，需优化表面清洁度以减少散射。表面掺杂与混合导电通道策略可实现载流子密度与迁移率的独立调控，为高性能透明电极和电子器件提供了设计依据。

ECOPIA霍尔效应测试仪 HMS-3000

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ECOPIA霍尔效应测试仪HMS-3000是一款专业用于半导体材料电学特性分析的高精度仪器。该仪器可精准测量载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数等关键参数，这些参数是表征半导体材料电学性能的核心指标。

高精度恒流源（1nA~20mA），适应不同材料的测试需求

 

 

六级电流精细分级，最大限度降低误差，确保测量准确性

 

 

低噪声测量技术：范德堡法则转换+非接触式设计，有效抑制仪器噪声，提升信号纯净度

本研究通过ECOPIA HMS-3000霍尔效应测试仪的精准数据，建立了"界面-电输运"定量关系，为下一代石墨烯提供了从测量方法到设计理论的全套解决方案。

原文参考：《Sheet Resistance Analysis of Interface-Engineered Multilayer Graphene: Mobility Versus Sheet Carrier Concentration》