一、引言1.1研究背景與意義隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，二維材料因其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)，在過(guò)去幾十年間成為了科學(xué)界的研究熱點(diǎn)。自2004年石墨烯被成功剝離以來(lái)，二維材料的研究取得了迅猛的進(jìn)展。石墨烯作為一種由碳原子組成的單層二維材料，具有極高的載流子遷移率、出色的機(jī)械性能和良好的熱導(dǎo)率，這些優(yōu)異的特性使其在電子學(xué)、能源、傳感器等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。受石墨烯成功制備的啟發(fā)，科學(xué)家們開(kāi)始廣泛探索其他新型二維材料，如過(guò)渡金屬二硫化物（TMDs）、六方氮化硼（h-BN）、黑磷、鉍烯等，極大地拓展了二維材料的種類和應(yīng)用范圍。石墨烯基異質(zhì)結(jié)作為二維材料領(lǐng)域的重要研究方向，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。通過(guò)將石墨烯與其他二維材料或三維材料相結(jié)合，形成的異質(zhì)結(jié)能夠綜合各組成材料的優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出許多新奇的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值。在石墨烯/二硫化鉬（MoS?）異質(zhì)結(jié)中，由于兩種材料的能帶結(jié)構(gòu)匹配，光生載流子能夠在界面處高效分離，從而使該異質(zhì)結(jié)在光電探測(cè)器、發(fā)光二極管等光電器件中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。此外，石墨烯與六方氮化硼形成的異質(zhì)結(jié)，憑借六方氮化硼的絕緣特性和石墨烯的高導(dǎo)電性，可用于制備高性能的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，有望解決傳統(tǒng)晶體管面臨的功耗和尺寸限制等問(wèn)題。鉍烯作為一種新興的二維材料，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)，也逐漸成為研究的焦點(diǎn)。鉍烯是由鉍原子組成的類似于蜂窩狀的單層結(jié)構(gòu)，具有較大的固有帶隙（約為0.16-0.99eV，具體數(shù)值取決于相結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法），這使其在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有潛在優(yōu)勢(shì)，可彌補(bǔ)石墨烯零帶隙的不足，為實(shí)現(xiàn)高性能的邏輯電路和存儲(chǔ)器件提供了可能。鉍烯還具有較高的載流子遷移率，能夠保證電子在材料中的快速傳輸，有利于提高器件的運(yùn)行速度和降低能耗。其良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，使其在復(fù)雜環(huán)境下仍能保持材料的完整性和性能穩(wěn)定性，拓寬了其在實(shí)際應(yīng)用中的范圍。將石墨烯基異質(zhì)結(jié)與鉍烯相結(jié)合的研究，對(duì)于推動(dòng)材料科學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。從材料科學(xué)的角度來(lái)看，這種結(jié)合能夠創(chuàng)造出具有全新性能和結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，有助于深入理解二維材料之間的相互作用和協(xié)同效應(yīng)，為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新型二維材料體系提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過(guò)研究石墨烯與鉍烯之間的界面性質(zhì)、電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制以及應(yīng)力分布等，能夠揭示不同二維材料在異質(zhì)結(jié)中的相互影響規(guī)律，從而為優(yōu)化材料性能、開(kāi)發(fā)新型材料提供指導(dǎo)。在電子學(xué)領(lǐng)域，這種結(jié)合有望為解決當(dāng)前電子器件面臨的諸多挑戰(zhàn)提供新的途徑。例如，利用石墨烯的高導(dǎo)電性和鉍烯的帶隙特性，構(gòu)建高性能的晶體管和集成電路，有望提高器件的性能和降低功耗，推動(dòng)摩爾定律的延續(xù)；基于石墨烯基異質(zhì)結(jié)和鉍烯的光電探測(cè)器，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的高靈敏度、高速度探測(cè)，滿足未來(lái)光通信和光傳感等領(lǐng)域的需求。此外，在能源存儲(chǔ)、傳感器、量子比特等領(lǐng)域，這種結(jié)合也可能帶來(lái)新的突破和應(yīng)用，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展注入新的活力。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了豐碩的成果。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，石墨烯與不同材料形成的異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出多樣化的電子結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的電學(xué)性能。在理論計(jì)算領(lǐng)域，密度泛函理論（DFT）被廣泛應(yīng)用于研究石墨烯基異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。通過(guò)模擬不同材料與石墨烯之間的原子排列和相互作用，科學(xué)家們能夠深入了解異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)、電荷分布和界面電荷轉(zhuǎn)移等特性。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯與過(guò)渡金屬二硫化物（如MoS?、WS?等）形成的異質(zhì)結(jié)，由于兩種材料的能帶匹配，在界面處會(huì)產(chǎn)生明顯的電荷轉(zhuǎn)移，從而形成內(nèi)建電場(chǎng)，這一特性對(duì)光電器件的性能提升具有重要意義，可有效提高光生載流子的分離效率，增強(qiáng)光電探測(cè)器的響應(yīng)度和靈敏度。在實(shí)驗(yàn)研究方面，科學(xué)家們通過(guò)多種先進(jìn)的表征技術(shù)，如掃描隧道顯微鏡（STM）、透射電子顯微鏡（TEM）、光電子能譜（XPS）等，對(duì)石墨烯基異質(zhì)結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進(jìn)行了深入探索。利用STM技術(shù)，能夠直接觀察到異質(zhì)結(jié)界面處的原子排列和電子態(tài)分布，為研究異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)提供了直觀的證據(jù)；XPS則可精確測(cè)量異質(zhì)結(jié)中各元素的化學(xué)態(tài)和電子結(jié)合能，從而深入分析界面電荷轉(zhuǎn)移和化學(xué)相互作用。實(shí)驗(yàn)研究還表明，通過(guò)精確控制異質(zhì)結(jié)的制備工藝和界面質(zhì)量，可以有效調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。在石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)的制備過(guò)程中，采用分子束外延（MBE）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)別的精確控制，制備出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)，這種異質(zhì)結(jié)在隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，具有低功耗、高開(kāi)關(guān)比等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的研究仍存在一些不足之處。一方面，對(duì)于復(fù)雜異質(zhì)結(jié)體系的電子結(jié)構(gòu)和物理機(jī)制的理解還不夠深入，尤其是當(dāng)涉及多種材料復(fù)合或存在復(fù)雜界面相互作用時(shí)，理論模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的一致性有待進(jìn)一步提高。在石墨烯與有機(jī)材料形成的異質(zhì)結(jié)中，由于有機(jī)材料的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)較為復(fù)雜，且易受環(huán)境因素影響，導(dǎo)致對(duì)其電子結(jié)構(gòu)和電荷傳輸機(jī)制的研究面臨較大挑戰(zhàn)。另一方面，在異質(zhì)結(jié)的制備過(guò)程中，如何精確控制界面質(zhì)量、減少缺陷和雜質(zhì)的引入，仍然是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。這些缺陷和雜質(zhì)不僅會(huì)影響異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，還可能導(dǎo)致器件性能的下降和穩(wěn)定性的降低。在鉍烯結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的研究方面，近年來(lái)也取得了顯著的進(jìn)展。鉍烯的制備方法主要包括物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）以及液相剝離法等。物理氣相沉積法通過(guò)在高溫下將鉍原子蒸發(fā)并沉積在襯底表面，能夠精確控制鉍烯的生長(zhǎng)層數(shù)和質(zhì)量，適合制備高質(zhì)量的鉍烯薄膜，但該方法設(shè)備昂貴，制備過(guò)程復(fù)雜，產(chǎn)量較低。化學(xué)氣相沉積法則是利用氣態(tài)的鉍源在高溫和催化劑的作用下分解，鉍原子在襯底表面沉積并反應(yīng)生成鉍烯，這種方法可以實(shí)現(xiàn)大面積的鉍烯生長(zhǎng)，適合大規(guī)模制備，但生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)引入雜質(zhì)，影響鉍烯的質(zhì)量。分子束外延技術(shù)能夠在原子尺度上精確控制鉍烯的生長(zhǎng)，可制備出高質(zhì)量、層數(shù)可控的鉍烯，但設(shè)備昂貴，生長(zhǎng)速度慢，產(chǎn)量有限。液相剝離法則是將塊狀鉍材料分散在特定的溶劑中，通過(guò)超聲等手段將其剝離成單層或多層鉍烯，該方法操作簡(jiǎn)單、成本低，適合大規(guī)模制備，但所得鉍烯的質(zhì)量和尺寸均勻性較差。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉍烯的生長(zhǎng)機(jī)制和結(jié)構(gòu)調(diào)控進(jìn)行了深入研究。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)觀察，揭示了鉍烯在不同襯底上的生長(zhǎng)模式和原子排列規(guī)律，發(fā)現(xiàn)襯底的晶格匹配度、表面能以及生長(zhǎng)溫度等因素對(duì)鉍烯的生長(zhǎng)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要影響。在晶格匹配度較高的襯底上，鉍烯能夠更好地外延生長(zhǎng)，形成高質(zhì)量的單晶薄膜；而生長(zhǎng)溫度的變化則會(huì)影響鉍烯的生長(zhǎng)速率和結(jié)晶質(zhì)量，適當(dāng)提高生長(zhǎng)溫度有助于提高鉍烯的結(jié)晶度，但過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致鉍烯的表面粗糙度增加和缺陷增多。研究人員還通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程中的氣體流量、反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉍烯的層數(shù)、尺寸和形貌的有效調(diào)控，為鉍烯的應(yīng)用提供了多樣化的材料選擇。鉍烯結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的研究也面臨一些挑戰(zhàn)。目前的制備方法在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、大面積、低成本的鉍烯制備方面仍存在一定的困難，難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。不同制備方法得到的鉍烯在質(zhì)量和性能上存在較大差異，缺乏統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系，這給鉍烯的應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展帶來(lái)了阻礙。鉍烯與襯底之間的界面兼容性和穩(wěn)定性問(wèn)題也有待進(jìn)一步解決，界面缺陷和應(yīng)力可能會(huì)影響鉍烯器件的性能和可靠性。綜上所述，石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)和鉍烯結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的研究雖然已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍存在許多亟待解決的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。針對(duì)這些不足，本研究將致力于深入探究石墨烯基異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)與鉍烯的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究石墨烯與鉍烯形成異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)特性、界面相互作用機(jī)制以及鉍烯的高質(zhì)量制備和結(jié)構(gòu)調(diào)控方法，為二維材料的發(fā)展和應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)基礎(chǔ)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)及鉍烯的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)展開(kāi)，具體內(nèi)容如下：石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)研究：運(yùn)用密度泛函理論（DFT），深入研究石墨烯與鉍烯形成異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)特性。通過(guò)建立不同原子排列和界面結(jié)構(gòu)的模型，計(jì)算異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)、電荷密度分布以及態(tài)密度等關(guān)鍵參數(shù)，分析石墨烯與鉍烯之間的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用機(jī)制。研究不同層數(shù)的石墨烯和鉍烯對(duì)異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的影響，探索如何通過(guò)調(diào)控層數(shù)來(lái)優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能?？紤]襯底對(duì)石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的影響，模擬不同襯底與異質(zhì)結(jié)之間的相互作用，分析襯底的晶格匹配度、表面能等因素對(duì)異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)制備提供理論指導(dǎo)。鉍烯的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)研究：對(duì)比物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）以及液相剝離法等不同制備方法對(duì)鉍烯結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的影響，分析各方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方式，研究鉍烯在不同襯底上的生長(zhǎng)機(jī)制，包括原子的吸附、擴(kuò)散和反應(yīng)過(guò)程，揭示襯底的晶格匹配度、表面能以及生長(zhǎng)溫度等因素對(duì)鉍烯生長(zhǎng)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。探索通過(guò)控制生長(zhǎng)參數(shù)（如氣體流量、反應(yīng)時(shí)間、溫度等）和引入雜質(zhì)原子等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉍烯的層數(shù)、尺寸和形貌的精確調(diào)控，制備出高質(zhì)量、大面積、層數(shù)可控的鉍烯薄膜，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征和分析。石墨烯基異質(zhì)結(jié)與鉍烯的集成應(yīng)用探索：在理論研究的基礎(chǔ)上，嘗試將石墨烯基異質(zhì)結(jié)與鉍烯進(jìn)行集成，制備出基于兩者的新型器件結(jié)構(gòu)，如晶體管、光電探測(cè)器等。研究集成過(guò)程中異質(zhì)結(jié)與鉍烯之間的界面兼容性和穩(wěn)定性問(wèn)題，探索通過(guò)界面修飾和優(yōu)化制備工藝等方法，提高器件的性能和可靠性。對(duì)制備的新型器件進(jìn)行性能測(cè)試和分析，研究其電學(xué)、光學(xué)等性能，評(píng)估其在電子學(xué)、光電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為實(shí)際應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)支持。1.3.2研究方法本研究采用理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，具體如下：理論計(jì)算方法：基于密度泛函理論（DFT），使用VASP、CASTEP等計(jì)算軟件，對(duì)石墨烯基異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算。通過(guò)構(gòu)建合理的模型，設(shè)置合適的計(jì)算參數(shù)，求解薛定諤方程，得到異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)信息，包括能帶結(jié)構(gòu)、電荷密度分布、態(tài)密度等。利用分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬方法，研究鉍烯在生長(zhǎng)過(guò)程中的原子運(yùn)動(dòng)和相互作用，分析生長(zhǎng)機(jī)制和結(jié)構(gòu)演化過(guò)程。通過(guò)模擬不同的生長(zhǎng)條件和參數(shù)，預(yù)測(cè)鉍烯的生長(zhǎng)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)研究方法：采用物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）等方法，在不同襯底上生長(zhǎng)鉍烯和制備石墨烯基異質(zhì)結(jié)。利用掃描隧道顯微鏡（STM）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）等微觀表征技術(shù)，對(duì)鉍烯和異質(zhì)結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析，獲取其原子排列、晶格結(jié)構(gòu)、界面質(zhì)量等信息。通過(guò)X射線光電子能譜（XPS）、拉曼光譜（Raman）等譜學(xué)技術(shù)，對(duì)鉍烯和異質(zhì)結(jié)的化學(xué)組成、電子態(tài)和化學(xué)鍵等進(jìn)行分析，研究其化學(xué)性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)。利用四探針?lè)?、霍爾效?yīng)測(cè)量?jī)x等電學(xué)測(cè)試設(shè)備，對(duì)鉍烯和石墨烯基異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，獲取其電阻率、載流子濃度、遷移率等電學(xué)參數(shù)。使用光電器件測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)基于石墨烯基異質(zhì)結(jié)和鉍烯的光電器件進(jìn)行性能測(cè)試，研究其光電響應(yīng)特性、量子效率等光學(xué)性能。本研究通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，能夠深入探究石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)及鉍烯的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，為二維材料的發(fā)展和應(yīng)用提供全面、準(zhǔn)確的理論支持和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。理論計(jì)算可以從原子和電子層面揭示材料的內(nèi)在物理機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)研究提供方向和指導(dǎo)；實(shí)驗(yàn)研究則可以驗(yàn)證理論計(jì)算的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象和問(wèn)題，進(jìn)一步推動(dòng)理論研究的發(fā)展。兩者相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)，有助于實(shí)現(xiàn)本研究的目標(biāo)。二、石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)研究2.1石墨烯基異質(zhì)結(jié)的基本概念與分類石墨烯基異質(zhì)結(jié)是指由石墨烯與其他不同材料通過(guò)特定方式組合形成的具有不同性質(zhì)的界面結(jié)構(gòu)。這種組合并非簡(jiǎn)單的物理混合，而是通過(guò)原子間的相互作用，形成了具有獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的新型材料體系。其形成原理主要基于范德華力、化學(xué)鍵合或電荷轉(zhuǎn)移等相互作用。在范德華異質(zhì)結(jié)中，石墨烯與其他二維材料（如過(guò)渡金屬硫化物、六方氮化硼等）通過(guò)較弱的范德華力相互堆疊，由于范德華力的長(zhǎng)程性和各向異性，使得不同材料的原子層能夠在保持各自晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)緊密的結(jié)合，從而形成穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅保留了各組成材料的本征特性，還在界面處產(chǎn)生了新的物理現(xiàn)象，如電荷轉(zhuǎn)移、激子束縛等，為實(shí)現(xiàn)材料性能的調(diào)控提供了新的途徑。根據(jù)與石墨烯結(jié)合的材料類型，石墨烯基異質(zhì)結(jié)可分為多種類型，其中石墨烯/過(guò)渡金屬硫化物異質(zhì)結(jié)和石墨烯/氧化物異質(zhì)結(jié)是研究較為廣泛的兩類。2.1.1石墨烯/過(guò)渡金屬硫化物異質(zhì)結(jié)石墨烯/過(guò)渡金屬硫化物異質(zhì)結(jié)是由石墨烯與過(guò)渡金屬硫化物（如MoS?、WS?、MoSe?等）組成。過(guò)渡金屬硫化物具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)由過(guò)渡金屬原子（M）與硫族原子（X）通過(guò)共價(jià)鍵形成的二維平面層堆疊而成，層間通過(guò)較弱的范德華力相互作用。這種結(jié)構(gòu)賦予了過(guò)渡金屬硫化物豐富的物理性質(zhì)，如半導(dǎo)體特性、光學(xué)活性和催化活性等。當(dāng)石墨烯與過(guò)渡金屬硫化物結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于兩者的能帶結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)存在差異，在界面處會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。在石墨烯/MoS?異質(zhì)結(jié)中，MoS?的價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底與石墨烯的狄拉克點(diǎn)存在一定的能量差，電子會(huì)從石墨烯向MoS?轉(zhuǎn)移，從而在界面處形成內(nèi)建電場(chǎng)。這種內(nèi)建電場(chǎng)不僅能夠有效地分離光生載流子，提高光電器件的光電轉(zhuǎn)換效率，還會(huì)對(duì)異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。研究表明，通過(guò)調(diào)控石墨烯與MoS?的層數(shù)、界面質(zhì)量以及施加外部電場(chǎng)等方式，可以精確地調(diào)控異質(zhì)結(jié)的電荷轉(zhuǎn)移程度和內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其電學(xué)和光學(xué)性能的優(yōu)化。石墨烯/過(guò)渡金屬硫化物異質(zhì)結(jié)在光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。由于其優(yōu)異的光生載流子分離能力和高載流子遷移率，可用于制備高性能的光電探測(cè)器、發(fā)光二極管和光電晶體管等。在光電探測(cè)器中，該異質(zhì)結(jié)能夠快速響應(yīng)光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，具有高靈敏度、快速響應(yīng)和寬光譜探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)；在發(fā)光二極管中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)和能級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電致發(fā)光，為下一代照明和顯示技術(shù)提供了新的解決方案。2.1.2石墨烯/氧化物異質(zhì)結(jié)石墨烯/氧化物異質(zhì)結(jié)是由石墨烯與氧化物材料（如TiO?、ZnO、MnO?等）構(gòu)成。氧化物材料具有豐富的物理和化學(xué)性質(zhì)，如半導(dǎo)體特性、絕緣性、磁性和催化活性等，其晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)因元素組成和晶體結(jié)構(gòu)的不同而呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)。在石墨烯/氧化物異質(zhì)結(jié)中，石墨烯與氧化物之間的相互作用較為復(fù)雜，包括化學(xué)鍵合、電荷轉(zhuǎn)移和界面吸附等。在石墨烯/TiO?異質(zhì)結(jié)中，石墨烯與TiO?之間可能形成C-O-Ti化學(xué)鍵，這種化學(xué)鍵的形成增強(qiáng)了兩者之間的相互作用，有利于電荷的傳輸和轉(zhuǎn)移。由于TiO?的寬帶隙特性和石墨烯的高導(dǎo)電性，異質(zhì)結(jié)在光催化、傳感器和儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)。在光催化領(lǐng)域，石墨烯/氧化物異質(zhì)結(jié)能夠利用石墨烯的高載流子遷移率和良好的導(dǎo)電性，有效地促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，提高光催化反應(yīng)的效率。在以石墨烯/TiO?異質(zhì)結(jié)為光催化劑的體系中，TiO?吸收光子產(chǎn)生的光生電子能夠迅速轉(zhuǎn)移到石墨烯上，從而減少了光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，提高了光催化降解有機(jī)污染物的效率。在傳感器領(lǐng)域，該異質(zhì)結(jié)可利用氧化物對(duì)特定氣體分子的吸附和化學(xué)反應(yīng)特性，以及石墨烯對(duì)電荷變化的高靈敏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體分子的高靈敏度檢測(cè)。當(dāng)目標(biāo)氣體分子吸附在氧化物表面時(shí)，會(huì)引起氧化物表面電荷的變化，這種變化通過(guò)石墨烯與氧化物之間的界面作用傳遞到石墨烯上，導(dǎo)致石墨烯的電學(xué)性能發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體分子的檢測(cè)。2.2影響石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的因素石墨烯基異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)受到多種因素的顯著影響，深入研究這些因素對(duì)于理解異質(zhì)結(jié)的物理性質(zhì)和優(yōu)化其性能具有至關(guān)重要的意義。2.2.1界面相互作用界面相互作用是影響石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)石墨烯與其他材料形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，界面處原子間的相互作用會(huì)導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移、化學(xué)鍵形成或范德華力作用，從而改變異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。在石墨烯與過(guò)渡金屬硫化物（如MoS?）形成的異質(zhì)結(jié)中，由于MoS?的電負(fù)性大于石墨烯，電子會(huì)從石墨烯向MoS?轉(zhuǎn)移，在界面處形成內(nèi)建電場(chǎng)。這種電荷轉(zhuǎn)移不僅改變了石墨烯和MoS?的電子云分布，還會(huì)影響異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算表明，電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致石墨烯的狄拉克點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)，MoS?的能帶也發(fā)生相應(yīng)的彎曲，使得異質(zhì)結(jié)在界面處形成了一個(gè)勢(shì)壘，這對(duì)載流子的輸運(yùn)和復(fù)合過(guò)程產(chǎn)生了重要影響。界面處的化學(xué)鍵合也會(huì)對(duì)異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在石墨烯與某些氧化物（如TiO?）形成的異質(zhì)結(jié)中，可能會(huì)在界面處形成C-O-Ti等化學(xué)鍵。這些化學(xué)鍵的形成增強(qiáng)了石墨烯與氧化物之間的相互作用，改變了電子的局域態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)。通過(guò)X射線光電子能譜（XPS）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）等實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以觀察到界面處化學(xué)鍵的形成和原子的排列情況，進(jìn)一步證實(shí)了化學(xué)鍵合對(duì)異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的影響。范德華力在石墨烯基異質(zhì)結(jié)中也起著重要作用。在范德華異質(zhì)結(jié)中，石墨烯與其他二維材料通過(guò)范德華力相互堆疊。雖然范德華力相對(duì)較弱，但它能夠使不同材料的原子層在保持各自晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，從而形成穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。在石墨烯/六方氮化硼（h-BN）異質(zhì)結(jié)中，石墨烯與h-BN之間通過(guò)范德華力相互作用，由于h-BN的絕緣特性和石墨烯的高導(dǎo)電性，這種異質(zhì)結(jié)在隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管等器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。范德華力的作用使得異質(zhì)結(jié)的界面相對(duì)平滑，減少了界面缺陷和雜質(zhì)的引入，有利于保持異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。2.2.2應(yīng)變應(yīng)變是調(diào)控石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的有效手段之一。通過(guò)施加外部應(yīng)變，可以改變石墨烯和與之結(jié)合的材料的晶格常數(shù)和原子間的相對(duì)位置，從而影響異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。當(dāng)對(duì)石墨烯基異質(zhì)結(jié)施加拉伸應(yīng)變時(shí)，石墨烯的晶格會(huì)被拉長(zhǎng)，原子間的鍵長(zhǎng)增加，導(dǎo)致電子云分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響其能帶結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算表明，拉伸應(yīng)變可以使石墨烯的狄拉克點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)，打開(kāi)一定的帶隙。這種帶隙的打開(kāi)對(duì)于石墨烯在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用具有重要意義，可克服石墨烯零帶隙的限制，實(shí)現(xiàn)其在邏輯電路和存儲(chǔ)器件等方面的應(yīng)用。在石墨烯與其他材料形成的異質(zhì)結(jié)中，由于兩種材料的晶格常數(shù)不匹配，會(huì)在界面處產(chǎn)生內(nèi)稟應(yīng)變。在石墨烯/硅烯異質(zhì)結(jié)中，石墨烯和硅烯的晶格常數(shù)存在差異，這種差異導(dǎo)致在異質(zhì)結(jié)界面處產(chǎn)生應(yīng)變。這種內(nèi)稟應(yīng)變會(huì)影響異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，使界面處的電荷分布和能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)稟應(yīng)變可以導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)界面處的電子態(tài)密度發(fā)生改變，影響載流子的傳輸和復(fù)合過(guò)程，從而對(duì)異質(zhì)結(jié)的電學(xué)和光學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。應(yīng)變還可以通過(guò)改變異質(zhì)結(jié)中材料的原子排列和相互作用，影響其磁性和光學(xué)性質(zhì)。在一些磁性材料與石墨烯形成的異質(zhì)結(jié)中，應(yīng)變可以調(diào)控磁性材料的磁矩和磁各向異性，進(jìn)而影響異質(zhì)結(jié)的自旋相關(guān)性質(zhì)。在光學(xué)方面，應(yīng)變可以改變異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和激子特性，影響其光吸收和發(fā)光性能。通過(guò)對(duì)石墨烯基異質(zhì)結(jié)施加不同程度的應(yīng)變，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其光學(xué)帶隙和發(fā)光波長(zhǎng)的調(diào)控，為光電器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了新的思路。2.2.3電場(chǎng)電場(chǎng)是影響石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要因素。通過(guò)施加外部電場(chǎng)，可以有效地調(diào)控異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。在石墨烯基異質(zhì)結(jié)中，外部電場(chǎng)可以改變界面處的電荷分布和內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響載流子的輸運(yùn)和復(fù)合過(guò)程。當(dāng)在石墨烯/過(guò)渡金屬硫化物異質(zhì)結(jié)上施加正向電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)會(huì)增強(qiáng)界面處的內(nèi)建電場(chǎng)，促進(jìn)光生載流子的分離，提高光電器件的光電轉(zhuǎn)換效率。相反，施加反向電場(chǎng)則會(huì)削弱內(nèi)建電場(chǎng)，抑制載流子的分離，降低光電器件的性能。電場(chǎng)還可以改變石墨烯基異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)。通過(guò)施加垂直于異質(zhì)結(jié)平面的電場(chǎng)，可以使石墨烯和與之結(jié)合的材料的能帶發(fā)生傾斜，從而改變載流子的能量狀態(tài)和傳輸特性。在石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)中，施加垂直電場(chǎng)可以調(diào)控石墨烯的狄拉克點(diǎn)與六方氮化硼的能帶之間的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)電學(xué)性能的調(diào)控。研究表明，通過(guò)精確控制電場(chǎng)強(qiáng)度，可以使異質(zhì)結(jié)在絕緣態(tài)和導(dǎo)電態(tài)之間切換，這種特性在邏輯電路和存儲(chǔ)器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。此外，電場(chǎng)還可以影響石墨烯基異質(zhì)結(jié)中雜質(zhì)和缺陷的行為。在存在雜質(zhì)和缺陷的異質(zhì)結(jié)中，電場(chǎng)可以改變雜質(zhì)和缺陷的電荷狀態(tài)和能級(jí)分布，進(jìn)而影響異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。電場(chǎng)還可以促進(jìn)雜質(zhì)和缺陷的擴(kuò)散和遷移，改變其在異質(zhì)結(jié)中的分布狀態(tài)，對(duì)異質(zhì)結(jié)的性能產(chǎn)生復(fù)雜的影響。2.3典型石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)案例分析以石墨烯/二硫化鉬（MoS?）異質(zhì)結(jié)為例，該異質(zhì)結(jié)作為一種典型的石墨烯基范德華異質(zhì)結(jié)，近年來(lái)在光電器件、傳感器和催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)特性是實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)異性能的關(guān)鍵。從能帶結(jié)構(gòu)來(lái)看，石墨烯是一種零帶隙的半金屬材料，其電子能帶在狄拉克點(diǎn)附近呈現(xiàn)出線性色散關(guān)系，具有極高的載流子遷移率。而MoS?是一種具有直接帶隙的半導(dǎo)體材料，其單層MoS?的帶隙約為1.8eV，多層MoS?的帶隙會(huì)隨著層數(shù)的增加而逐漸減小并轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙。當(dāng)石墨烯與MoS?形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于兩者之間的相互作用，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化。理論計(jì)算表明，在石墨烯/MoS?異質(zhì)結(jié)中，MoS?的價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底與石墨烯的狄拉克點(diǎn)存在一定的能量差，這使得電子會(huì)從石墨烯向MoS?轉(zhuǎn)移，在界面處形成內(nèi)建電場(chǎng)。這種內(nèi)建電場(chǎng)導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)的能帶發(fā)生彎曲，形成了一個(gè)勢(shì)壘，有效地分離了光生載流子，提高了光電器件的光電轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯與MoS?的層數(shù)、界面質(zhì)量以及施加外部電場(chǎng)等方式，可以精確地調(diào)控異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其電學(xué)和光學(xué)性能的優(yōu)化。電荷轉(zhuǎn)移是石墨烯/MoS?異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要特性。在該異質(zhì)結(jié)中，由于MoS?的電負(fù)性大于石墨烯，電子會(huì)從石墨烯向MoS?轉(zhuǎn)移。這種電荷轉(zhuǎn)移不僅改變了石墨烯和MoS?的電子云分布，還在界面處形成了一個(gè)偶極層，進(jìn)一步影響了異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)光電子能譜（XPS）和掃描隧道顯微鏡（STM）等技術(shù)可以直接觀察到電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。XPS測(cè)量結(jié)果顯示，在石墨烯/MoS?異質(zhì)結(jié)中，MoS?的S2p峰和Mo3d峰向低結(jié)合能方向移動(dòng)，表明MoS?得到了電子，而石墨烯的C1s峰向高結(jié)合能方向移動(dòng)，表明石墨烯失去了電子。STM圖像則直觀地展示了異質(zhì)結(jié)界面處的電荷分布情況，證實(shí)了電荷從石墨烯向MoS?的轉(zhuǎn)移。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了對(duì)石墨烯/MoS?異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的研究。在理論計(jì)算方面，基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算方法被廣泛應(yīng)用于研究該異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。通過(guò)構(gòu)建合理的模型，設(shè)置合適的計(jì)算參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)、電荷轉(zhuǎn)移和界面相互作用等特性。在實(shí)驗(yàn)研究中，多種先進(jìn)的表征技術(shù)被用于驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果。除了上述的XPS和STM技術(shù)外，拉曼光譜、光致發(fā)光光譜（PL）和透射電子顯微鏡（TEM）等技術(shù)也被廣泛應(yīng)用。拉曼光譜可以通過(guò)分析石墨烯和MoS?的特征拉曼峰的位移和強(qiáng)度變化，來(lái)研究異質(zhì)結(jié)中的應(yīng)力分布和電荷轉(zhuǎn)移情況；PL光譜則可用于探測(cè)異質(zhì)結(jié)中的光生載流子的復(fù)合過(guò)程和發(fā)光特性，進(jìn)一步驗(yàn)證了光生載流子在界面處的高效分離；TEM技術(shù)能夠直接觀察到異質(zhì)結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)和界面質(zhì)量，為研究異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互驗(yàn)證，不僅加深了對(duì)石墨烯/MoS?異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的理解，也為其在實(shí)際應(yīng)用中的性能優(yōu)化提供了有力的支持。2.4石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法為了實(shí)現(xiàn)石墨烯基異質(zhì)結(jié)在電子學(xué)、能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效調(diào)控至關(guān)重要。通過(guò)外部電場(chǎng)、襯底選擇、摻雜等手段，可以精確調(diào)整異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。2.4.1外部電場(chǎng)調(diào)控外部電場(chǎng)是一種直接且有效的調(diào)控石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，通常通過(guò)在異質(zhì)結(jié)兩側(cè)施加電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)外部電場(chǎng)的作用。當(dāng)外部電場(chǎng)垂直于異質(zhì)結(jié)平面時(shí)，它會(huì)對(duì)異質(zhì)結(jié)中的電荷分布產(chǎn)生顯著影響。在石墨烯/過(guò)渡金屬硫化物（如MoS?）異質(zhì)結(jié)中，施加垂直電場(chǎng)會(huì)改變界面處的內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度。正向電場(chǎng)會(huì)增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)，使得電子從石墨烯向MoS?轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)增強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)光生載流子的分離，從而提高光電器件的光電轉(zhuǎn)換效率。這是因?yàn)殡妶?chǎng)的增強(qiáng)使得異質(zhì)結(jié)界面處的能帶彎曲程度增加，形成的勢(shì)壘更高，有利于載流子的分離和傳輸。反向電場(chǎng)則會(huì)削弱內(nèi)建電場(chǎng)，抑制載流子的分離，降低光電器件的性能。外部電場(chǎng)還可以改變石墨烯基異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)。通過(guò)施加合適的電場(chǎng)強(qiáng)度，可以使石墨烯和與之結(jié)合的材料的能帶發(fā)生傾斜，從而改變載流子的能量狀態(tài)和傳輸特性。在石墨烯/六方氮化硼（h-BN）異質(zhì)結(jié)中，施加垂直電場(chǎng)可以調(diào)控石墨烯的狄拉克點(diǎn)與h-BN的能帶之間的相對(duì)位置。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，能夠使異質(zhì)結(jié)在絕緣態(tài)和導(dǎo)電態(tài)之間切換，這種特性在邏輯電路和存儲(chǔ)器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)精確控制電場(chǎng)強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)電學(xué)性能的精確調(diào)控，為開(kāi)發(fā)高性能的電子器件提供了可能。外部電場(chǎng)調(diào)控方法具有響應(yīng)速度快、調(diào)控靈活等優(yōu)點(diǎn)。它可以在不改變異質(zhì)結(jié)材料組成和結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)調(diào)控，適用于需要快速響應(yīng)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的應(yīng)用場(chǎng)景，如高速電子器件和光電器件等。該方法也存在一些局限性。需要額外的電極和電路來(lái)施加電場(chǎng)，增加了器件的復(fù)雜性和成本；電場(chǎng)的均勻性難以保證，可能導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)不同區(qū)域的電子結(jié)構(gòu)調(diào)控不一致，影響器件的性能穩(wěn)定性。2.4.2襯底選擇調(diào)控襯底的選擇對(duì)石墨烯基異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)有著重要影響。不同的襯底具有不同的晶格常數(shù)、表面能和化學(xué)性質(zhì)，這些因素會(huì)影響石墨烯與襯底之間的相互作用，進(jìn)而改變異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。在選擇襯底時(shí)，晶格匹配度是一個(gè)關(guān)鍵因素。晶格匹配度較高的襯底能夠使石墨烯在生長(zhǎng)過(guò)程中更好地與襯底原子排列相匹配，減少界面處的應(yīng)力和缺陷，從而有利于保持異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在石墨烯在碳化硅（SiC）襯底上生長(zhǎng)時(shí)，由于SiC與石墨烯的晶格匹配度較高，石墨烯能夠在SiC表面外延生長(zhǎng)，形成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)。這種異質(zhì)結(jié)的界面質(zhì)量高，電子結(jié)構(gòu)受襯底的影響較小，具有較好的電學(xué)性能。襯底的表面能也會(huì)影響石墨烯基異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。表面能較高的襯底會(huì)對(duì)石墨烯產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附作用，導(dǎo)致石墨烯與襯底之間的相互作用增強(qiáng)，從而改變石墨烯的電子云分布和能帶結(jié)構(gòu)。在一些金屬襯底上生長(zhǎng)石墨烯時(shí)，由于金屬襯底的表面能較高，石墨烯與金屬之間會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，可能會(huì)在界面處形成化學(xué)鍵，這種化學(xué)鍵的形成會(huì)改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，影響其電學(xué)性能。襯底的化學(xué)性質(zhì)也不容忽視。具有特定化學(xué)性質(zhì)的襯底可能會(huì)與石墨烯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致石墨烯表面的化學(xué)修飾，進(jìn)而影響異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。在一些氧化物襯底上，由于氧化物表面存在大量的氧空位等缺陷，這些缺陷可能會(huì)與石墨烯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使石墨烯表面的電子云分布發(fā)生變化，從而改變異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能。襯底選擇調(diào)控方法具有操作簡(jiǎn)單、對(duì)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)影響小等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)選擇合適的襯底，可以在制備異質(zhì)結(jié)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的初步調(diào)控，為后續(xù)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。該方法也存在一定的局限性。襯底的選擇范圍相對(duì)有限，受到材料的晶格常數(shù)、表面能和化學(xué)性質(zhì)等多種因素的制約；一旦襯底確定，其對(duì)電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用相對(duì)固定，難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控。2.4.3摻雜調(diào)控?fù)诫s是一種常用的調(diào)控石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的方法。通過(guò)向石墨烯或與之結(jié)合的材料中引入雜質(zhì)原子，可以改變異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。在石墨烯中引入氮（N）、硼（B）等雜質(zhì)原子，可以改變石墨烯的電子云分布和能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)訐诫s到石墨烯中時(shí)，由于氮原子比碳原子多一個(gè)價(jià)電子，會(huì)在石墨烯的晶格中引入額外的電子，這些額外的電子會(huì)改變石墨烯的電子態(tài)密度，使石墨烯的費(fèi)米能級(jí)發(fā)生移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其電學(xué)性能的調(diào)控。理論計(jì)算表明，適量的氮摻雜可以使石墨烯的電導(dǎo)率顯著提高，同時(shí)還能在一定程度上打開(kāi)石墨烯的帶隙，使其具有半導(dǎo)體特性，這對(duì)于石墨烯在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用具有重要意義。在石墨烯基異質(zhì)結(jié)中，也可以通過(guò)向與之結(jié)合的材料中摻雜來(lái)調(diào)控異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。在石墨烯/過(guò)渡金屬硫化物異質(zhì)結(jié)中，向過(guò)渡金屬硫化物中摻雜其他金屬原子，可以改變過(guò)渡金屬硫化物的能帶結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，進(jìn)而影響異質(zhì)結(jié)的界面電荷轉(zhuǎn)移和電學(xué)性能。在MoS?中摻雜錸（Re）原子，可以改變MoS?的能帶結(jié)構(gòu)，使其與石墨烯的能帶匹配更加優(yōu)化，從而增強(qiáng)異質(zhì)結(jié)界面處的電荷轉(zhuǎn)移，提高光電器件的性能。摻雜調(diào)控方法具有調(diào)控效果顯著、可實(shí)現(xiàn)多種性能調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)選擇不同的摻雜原子和控制摻雜濃度，可以精確地調(diào)整異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。該方法也存在一些問(wèn)題。摻雜過(guò)程中可能會(huì)引入雜質(zhì)和缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷可能會(huì)影響異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性和可靠性；摻雜濃度的控制難度較大，過(guò)高或過(guò)低的摻雜濃度都可能導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)性能的下降。三、鉍烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)3.1鉍烯的晶體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)鉍烯作為一種二維材料，其晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出獨(dú)特的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，與石墨烯的平面蜂窩狀結(jié)構(gòu)有所不同，鉍烯具有一定的翹曲度，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)賦予了鉍烯許多優(yōu)異的物理性質(zhì)。鉍烯的原子排列方式是由鉍原子通過(guò)共價(jià)鍵相互連接形成六角形的晶格結(jié)構(gòu)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)鉍原子與周圍的三個(gè)鉍原子相連，形成了穩(wěn)定的共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)。與石墨烯中碳原子的平面排列不同，鉍烯中的鉍原子不在同一平面上，而是呈現(xiàn)出一定的起伏，形成了具有高度差的褶皺結(jié)構(gòu)。這種褶皺結(jié)構(gòu)使得鉍烯的原子平面不是完全平整的，而是類似于起伏的波浪狀，相鄰原子平面之間存在一定的夾角。這種獨(dú)特的原子排列方式不僅影響了鉍烯的電子云分布，還對(duì)其物理性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。鉍烯的晶格參數(shù)對(duì)于理解其晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)至關(guān)重要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)鉍烯的晶格常數(shù)約為4.58-4.64?，這一數(shù)值與一些常見(jiàn)的二維材料如石墨烯（晶格常數(shù)約為2.46?）和硅烯（晶格常數(shù)約為3.84?）存在明顯差異。鉍烯的原子平面之間的層間距約為3.979?，這種較大的層間距為離子的嵌入和脫出提供了較大的空間，使得鉍烯在儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。鉍烯的晶體結(jié)構(gòu)賦予了它許多獨(dú)特的物理性質(zhì)。鉍烯具有較高的載流子遷移率，這是由于其原子排列形成的共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)為電子的傳輸提供了良好的通道。在鉍烯中，電子能夠在晶格中快速移動(dòng)，載流子遷移率可達(dá)到較高的數(shù)值，這使得鉍烯在電子學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，如可用于制備高速電子器件。鉍烯還具有較大的固有帶隙，其帶隙值約為0.16-0.99eV（具體數(shù)值取決于相結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法），這一特性使其區(qū)別于零帶隙的石墨烯，在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)，可用于制備高性能的邏輯電路和存儲(chǔ)器件。鉍烯的晶體結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的物理性質(zhì)使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在電子學(xué)領(lǐng)域，其高載流子遷移率和帶隙特性使其有望成為下一代高性能晶體管和集成電路的關(guān)鍵材料；在能源領(lǐng)域，較大的層間距和良好的電學(xué)性能使其在電池和超級(jí)電容器等儲(chǔ)能器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值；在傳感器領(lǐng)域，鉍烯對(duì)某些氣體分子具有特殊的吸附和電學(xué)響應(yīng)特性，可用于制備高靈敏度的氣體傳感器。對(duì)鉍烯晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的深入研究，將有助于進(jìn)一步挖掘其潛在應(yīng)用價(jià)值，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。3.2鉍烯的電子結(jié)構(gòu)與電學(xué)性質(zhì)鉍烯的電子結(jié)構(gòu)是其獨(dú)特物理性質(zhì)的根源，深入研究其電子結(jié)構(gòu)對(duì)于理解鉍烯的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等性質(zhì)具有重要意義。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，研究人員對(duì)鉍烯的電子結(jié)構(gòu)有了較為深入的認(rèn)識(shí)。從能帶結(jié)構(gòu)來(lái)看，鉍烯具有獨(dú)特的能帶特征。在不考慮自旋軌道耦合（SOC）效應(yīng)時(shí)，鉍烯的能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出類似于傳統(tǒng)半導(dǎo)體的特征，具有一定的帶隙。然而，當(dāng)考慮SOC效應(yīng)時(shí)，鉍烯的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。在β相鉍烯中，自旋軌道耦合作用使得費(fèi)米能級(jí)附近的軌道在Gamma點(diǎn)附近發(fā)生了能級(jí)反轉(zhuǎn)，從而使β相鉍烯轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浣^緣體。這種拓?fù)湎嘧儾粌H改變了鉍烯的電子態(tài)分布，還賦予了其許多新奇的物理性質(zhì)，如無(wú)損耗的邊緣導(dǎo)電特性。理論計(jì)算表明，鉍烯的能帶結(jié)構(gòu)還受到其晶體結(jié)構(gòu)和原子排列的影響。由于鉍烯具有獨(dú)特的褶皺蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其原子平面存在一定的起伏，從而影響了電子云的分布和能帶結(jié)構(gòu)。與平面結(jié)構(gòu)的二維材料相比，鉍烯的褶皺結(jié)構(gòu)使得其能帶結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，帶隙的大小和形狀也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。研究還發(fā)現(xiàn)，鉍烯的能帶結(jié)構(gòu)對(duì)其層數(shù)也具有一定的依賴性。隨著鉍烯層數(shù)的增加，其帶隙逐漸減小，這是由于層間相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致電子云的離域化程度增加，從而使帶隙逐漸減小。態(tài)密度（DOS）是描述材料中電子能量分布的重要物理量，對(duì)于理解鉍烯的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)具有重要作用。通過(guò)計(jì)算鉍烯的態(tài)密度，可以了解電子在不同能量狀態(tài)下的分布情況，以及電子與原子軌道之間的相互作用。在β相鉍烯中，態(tài)密度的計(jì)算結(jié)果表明，在費(fèi)米能級(jí)附近，電子主要分布在Bi原子的px、py和pz軌道上，這些軌道的相互作用對(duì)鉍烯的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。由于自旋軌道耦合效應(yīng)，鉍烯的態(tài)密度在費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)了明顯的變化，這與能帶結(jié)構(gòu)中能級(jí)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)。鉍烯的電學(xué)性質(zhì)與其電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)賦予了鉍烯優(yōu)異的電學(xué)性能。鉍烯具有較高的載流子遷移率，這是其電學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要特點(diǎn)。在室溫下，鉍烯的載流子遷移率可達(dá)到較高的數(shù)值，這使得電子在鉍烯中能夠快速傳輸，有利于提高電子器件的運(yùn)行速度和降低能耗。鉍烯的高載流子遷移率主要源于其原子排列形成的共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)為電子的傳輸提供了良好的通道，以及其較小的有效質(zhì)量，使得電子在電場(chǎng)作用下能夠迅速響應(yīng)。電導(dǎo)率是衡量材料導(dǎo)電性能的重要參數(shù)，鉍烯的電導(dǎo)率受到多種因素的影響。除了載流子遷移率外，載流子濃度也是影響鉍烯電導(dǎo)率的關(guān)鍵因素。通過(guò)摻雜等手段，可以有效地調(diào)控鉍烯的載流子濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其電導(dǎo)率的調(diào)控。在n型摻雜的鉍烯中，通過(guò)引入施主雜質(zhì)，增加了電子的濃度，從而提高了鉍烯的電導(dǎo)率；而在p型摻雜的鉍烯中，通過(guò)引入受主雜質(zhì)，增加了空穴的濃度，同樣可以提高鉍烯的電導(dǎo)率。溫度也會(huì)對(duì)鉍烯的電導(dǎo)率產(chǎn)生影響。隨著溫度的升高，鉍烯中的晶格振動(dòng)加劇，電子與聲子的散射幾率增加，導(dǎo)致載流子遷移率降低，從而使電導(dǎo)率下降。霍爾效應(yīng)是研究材料電學(xué)性質(zhì)的重要手段之一，通過(guò)測(cè)量鉍烯的霍爾效應(yīng)，可以獲取其載流子類型、濃度和遷移率等重要信息。在鉍烯中，霍爾效應(yīng)的測(cè)量結(jié)果表明，其載流子類型可以通過(guò)摻雜等方式進(jìn)行調(diào)控，n型摻雜的鉍烯表現(xiàn)出電子導(dǎo)電特性，而p型摻雜的鉍烯則表現(xiàn)為空穴導(dǎo)電特性。通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)量得到的載流子濃度和遷移率與其他實(shí)驗(yàn)方法和理論計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了對(duì)鉍烯電學(xué)性質(zhì)的研究?；魻栃?yīng)的測(cè)量還可以用于研究鉍烯在磁場(chǎng)中的電學(xué)行為，揭示其量子輸運(yùn)特性和拓?fù)湫再|(zhì)。3.3鉍烯的光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用潛力鉍烯的光學(xué)性質(zhì)與其晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，獨(dú)特的原子排列和電子態(tài)分布賦予了鉍烯在光吸收、光發(fā)射等方面的特殊性能，使其在光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。鉍烯的光吸收特性是其重要的光學(xué)性質(zhì)之一。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，鉍烯在可見(jiàn)光和近紅外光波段具有較強(qiáng)的光吸收能力。這主要源于鉍烯的電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其帶隙的存在使得電子在吸收光子能量后能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光吸收現(xiàn)象。在單層鉍烯中，由于原子的二維排列和電子云的離域化，光吸收效率相對(duì)較高。研究發(fā)現(xiàn)，鉍烯的光吸收系數(shù)在某些特定波長(zhǎng)下可達(dá)到較高的數(shù)值，這為其在光電器件中的應(yīng)用提供了有利條件。鉍烯的光吸收特性還受到其層數(shù)、摻雜和外界電場(chǎng)等因素的影響。隨著鉍烯層數(shù)的增加，層間相互作用增強(qiáng)，電子云的離域化程度發(fā)生變化，導(dǎo)致光吸收譜發(fā)生紅移，即光吸收峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。通過(guò)摻雜可以引入額外的電子或空穴，改變鉍烯的電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控其光吸收特性。在n型摻雜的鉍烯中，額外的電子會(huì)填充到導(dǎo)帶中，使得光吸收邊發(fā)生藍(lán)移，即光吸收峰向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。施加外界電場(chǎng)也可以改變鉍烯的電子結(jié)構(gòu)和光吸收特性。當(dāng)在鉍烯上施加垂直電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)會(huì)影響電子的能級(jí)分布和躍遷概率，從而改變光吸收譜的形狀和強(qiáng)度。光發(fā)射是鉍烯的另一個(gè)重要光學(xué)性質(zhì)。在一定條件下，鉍烯可以實(shí)現(xiàn)光發(fā)射，其發(fā)光機(jī)制主要與電子-空穴復(fù)合過(guò)程有關(guān)。當(dāng)鉍烯受到光激發(fā)或電注入時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴對(duì)在復(fù)合過(guò)程中會(huì)釋放出能量，以光子的形式發(fā)射出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)光發(fā)射。研究表明，鉍烯的光發(fā)射波長(zhǎng)主要位于可見(jiàn)光和近紅外光波段，且發(fā)光效率受到多種因素的影響。鉍烯的光發(fā)射效率與其晶體質(zhì)量、缺陷密度和界面性質(zhì)等因素密切相關(guān)。高質(zhì)量的鉍烯晶體具有較低的缺陷密度，能夠減少電子-空穴對(duì)的非輻射復(fù)合，從而提高光發(fā)射效率。在制備鉍烯的過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)條件和工藝，可以降低缺陷密度，提高晶體質(zhì)量，進(jìn)而提高光發(fā)射效率。鉍烯與襯底或其他材料的界面性質(zhì)也會(huì)影響光發(fā)射效率。良好的界面接觸可以促進(jìn)電子和空穴的注入和傳輸，減少界面處的能量損失，從而提高光發(fā)射效率。鉍烯在光電器件中具有巨大的應(yīng)用潛力，尤其是在光電探測(cè)器和發(fā)光二極管等領(lǐng)域。在光電探測(cè)器方面，鉍烯的高載流子遷移率和較強(qiáng)的光吸收能力使其成為一種理想的光電探測(cè)材料。由于鉍烯能夠快速響應(yīng)光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，基于鉍烯的光電探測(cè)器具有高靈敏度、快速響應(yīng)和寬光譜探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。在可見(jiàn)-近紅外波段，鉍烯光電探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)的有效探測(cè)，其響應(yīng)度和探測(cè)率可達(dá)到較高的數(shù)值。鉍烯與其他材料形成的異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器，如鉍烯/石墨烯異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器，通過(guò)界面處的電荷轉(zhuǎn)移和內(nèi)建電場(chǎng)作用，能夠進(jìn)一步提高光生載流子的分離效率和傳輸速度，從而提升光電探測(cè)器的性能。在發(fā)光二極管領(lǐng)域，鉍烯的光發(fā)射特性為其應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)和優(yōu)化制備工藝，可以實(shí)現(xiàn)基于鉍烯的高效發(fā)光二極管。在制備過(guò)程中，選擇合適的襯底和電極材料，優(yōu)化鉍烯的生長(zhǎng)質(zhì)量和界面性質(zhì)，能夠提高電子和空穴的注入效率和復(fù)合效率，從而實(shí)現(xiàn)高效的電致發(fā)光。基于鉍烯的發(fā)光二極管在可見(jiàn)光和近紅外光波段具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，可用于照明、顯示和光通信等領(lǐng)域。將鉍烯與其他材料復(fù)合，形成新型的發(fā)光材料體系，也有望進(jìn)一步拓展鉍烯在發(fā)光二極管領(lǐng)域的應(yīng)用。四、鉍烯的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)研究4.1鉍烯的制備方法概述鉍烯的制備是研究其性能和應(yīng)用的基礎(chǔ)，目前已發(fā)展出多種制備方法，每種方法都有其獨(dú)特的原理、工藝特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的研究和應(yīng)用需求。4.1.1分子束外延（MBE）分子束外延（MBE）是一種在超高真空狀態(tài)下進(jìn)行材料外延生長(zhǎng)的技術(shù)。其原理是將所需材料的原子或分子束蒸發(fā)后，在精確控制的條件下，直接噴射到加熱的單晶襯底表面，原子在襯底表面逐層沉積并外延生長(zhǎng)，從而形成高質(zhì)量的薄膜材料。在鉍烯的制備中，將鉍原子束蒸發(fā)后，使其在特定的襯底（如SiC、InSb等）表面進(jìn)行生長(zhǎng)。由于生長(zhǎng)過(guò)程在超高真空環(huán)境中進(jìn)行，能夠有效避免雜質(zhì)的引入，從而制備出高質(zhì)量、原子級(jí)平整的鉍烯薄膜。MBE技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)顯著，它能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)別的精確控制，可精確控制鉍烯的生長(zhǎng)層數(shù)和質(zhì)量，制備出的鉍烯具有高度的晶體完整性和低缺陷密度。這種精確控制使得制備的鉍烯在電子學(xué)、量子器件等對(duì)材料質(zhì)量要求極高的領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。由于生長(zhǎng)過(guò)程是在超高真空環(huán)境下進(jìn)行，生長(zhǎng)過(guò)程中幾乎沒(méi)有雜質(zhì)污染，能夠保證鉍烯的高純度，這對(duì)于研究鉍烯的本征物理性質(zhì)至關(guān)重要。MBE技術(shù)也存在一些明顯的缺點(diǎn)。設(shè)備昂貴，需要超高真空系統(tǒng)、原子束蒸發(fā)源、監(jiān)控系統(tǒng)等復(fù)雜設(shè)備，設(shè)備購(gòu)置和維護(hù)成本高昂，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。生長(zhǎng)速度緩慢，生長(zhǎng)速率通常在1ML/s（單層每秒）或者1μm/h或更低的水平，這使得制備大面積的鉍烯需要較長(zhǎng)的時(shí)間，生產(chǎn)效率較低，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。4.1.2化學(xué)氣相沉積（CVD）化學(xué)氣相沉積（CVD）是利用氣態(tài)的鉍源（如BiCl?、Bi(CH?)?等）在高溫和催化劑的作用下分解，鉍原子在襯底表面沉積并反應(yīng)生成鉍烯。在反應(yīng)過(guò)程中，氣態(tài)鉍源被輸送到反應(yīng)室中，在高溫和催化劑的作用下，鉍源分解產(chǎn)生鉍原子，這些鉍原子在襯底表面吸附、擴(kuò)散并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸形成鉍烯薄膜。常用的襯底包括SiO?/Si、藍(lán)寶石等，通過(guò)控制反應(yīng)條件（如溫度、氣體流量、反應(yīng)時(shí)間等），可以實(shí)現(xiàn)大面積的鉍烯生長(zhǎng)。CVD法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)大面積的鉍烯生長(zhǎng)，適合大規(guī)模制備，這使得鉍烯在電子器件、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用更具可行性。通過(guò)調(diào)整反應(yīng)參數(shù)，可以靈活地控制鉍烯的生長(zhǎng)層數(shù)和質(zhì)量，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。由于生長(zhǎng)過(guò)程中可以引入雜質(zhì)原子進(jìn)行摻雜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉍烯電學(xué)性能的調(diào)控，拓寬了鉍烯的應(yīng)用范圍。該方法也存在一些不足之處。生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)引入雜質(zhì)，如殘留的催化劑、反應(yīng)副產(chǎn)物等，這些雜質(zhì)會(huì)影響鉍烯的質(zhì)量和電學(xué)性能。鉍烯與襯底之間的附著力較弱，在后續(xù)的器件制備和應(yīng)用過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)鉍烯薄膜脫落等問(wèn)題，影響器件的穩(wěn)定性和可靠性。4.1.3物理氣相沉積（PVD）物理氣相沉積（PVD）是通過(guò)在高溫下將鉍原子蒸發(fā)并沉積在襯底表面來(lái)制備鉍烯。在PVD過(guò)程中，鉍原子在高溫下從源材料中蒸發(fā)出來(lái)，形成原子束，然后直接沉積在襯底表面，原子在襯底表面逐漸堆積并形成鉍烯薄膜。常用的PVD技術(shù)包括熱蒸發(fā)、濺射等，其中熱蒸發(fā)是將鉍源加熱至高溫使其蒸發(fā)，濺射則是利用高能離子束轟擊鉍靶材，使鉍原子從靶材表面濺射出來(lái)并沉積在襯底上。PVD法的優(yōu)點(diǎn)是能夠精確控制鉍烯的生長(zhǎng)層數(shù)和質(zhì)量，通過(guò)控制蒸發(fā)速率和沉積時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉍烯厚度的精確控制。該方法可以在不同的襯底上生長(zhǎng)鉍烯，具有較好的兼容性。由于生長(zhǎng)過(guò)程中不涉及化學(xué)反應(yīng)，避免了化學(xué)反應(yīng)帶來(lái)的雜質(zhì)引入，能夠制備出高純度的鉍烯。PVD法也存在一些缺點(diǎn)，設(shè)備成本較高，需要高溫蒸發(fā)設(shè)備和真空系統(tǒng)等，增加了制備成本。生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢，難以實(shí)現(xiàn)大面積、快速的鉍烯制備。在制備過(guò)程中，鉍原子的沉積可能不均勻，導(dǎo)致鉍烯薄膜的質(zhì)量和性能存在一定的差異。4.1.4液相剝離法液相剝離法是將塊狀鉍材料分散在特定的溶劑（如N-甲基吡咯烷酮、乙醇等）中，通過(guò)超聲、攪拌等手段將其剝離成單層或多層鉍烯。在超聲作用下，超聲波的能量使塊狀鉍材料在溶劑中受到強(qiáng)烈的沖擊和剪切力，從而將鉍原子層逐漸剝離下來(lái)，形成鉍烯納米片分散在溶劑中。通過(guò)離心、過(guò)濾等后續(xù)處理，可以分離出不同層數(shù)的鉍烯。液相剝離法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、成本低，不需要復(fù)雜的設(shè)備和高溫、真空等特殊環(huán)境，適合大規(guī)模制備。該方法可以在溶液中對(duì)鉍烯進(jìn)行功能化修飾，如通過(guò)添加表面活性劑或其他功能性分子，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉍烯的表面改性，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。該方法也存在一些問(wèn)題，所得鉍烯的質(zhì)量和尺寸均勻性較差，由于剝離過(guò)程的隨機(jī)性，得到的鉍烯納米片在尺寸、層數(shù)和形狀上存在較大差異，影響了其在一些對(duì)材料均勻性要求較高的應(yīng)用中的性能。在剝離過(guò)程中，可能會(huì)引入溶劑分子或其他雜質(zhì)，需要進(jìn)行復(fù)雜的清洗和純化步驟來(lái)提高鉍烯的質(zhì)量。4.2影響鉍烯結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的因素鉍烯的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)受到多種因素的綜合影響，這些因素不僅決定了鉍烯的晶體質(zhì)量，還對(duì)其生長(zhǎng)取向、層數(shù)和形貌等特性產(chǎn)生重要作用，深入研究這些因素對(duì)于實(shí)現(xiàn)鉍烯的高質(zhì)量制備和性能優(yōu)化具有關(guān)鍵意義。4.2.1襯底選擇襯底的選擇是影響鉍烯結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一。不同的襯底具有不同的晶格常數(shù)、表面能和化學(xué)性質(zhì)，這些特性會(huì)顯著影響鉍烯在襯底上的生長(zhǎng)模式和質(zhì)量。晶格匹配度是襯底選擇中需要考慮的重要因素。當(dāng)襯底的晶格常數(shù)與鉍烯的晶格常數(shù)相近時(shí)，鉍烯能夠在襯底上實(shí)現(xiàn)更好的外延生長(zhǎng)，形成高質(zhì)量的單晶薄膜。在InSb(111)襯底上生長(zhǎng)鉍烯時(shí)，由于InSb的晶格常數(shù)與鉍烯的晶格常數(shù)較為接近，鉍原子與襯底表面的結(jié)合能強(qiáng)于原子之間的相互作用，使得鉍烯在起始外延階段能夠在襯底上形成單層的浸潤(rùn)層，且浸潤(rùn)層呈單層層狀生長(zhǎng)。這種高質(zhì)量的浸潤(rùn)層為后續(xù)鉍烯的生長(zhǎng)提供了良好的外延過(guò)渡層，有利于獲得大面積、高質(zhì)量的鉍烯薄膜。相反，若襯底的晶格常數(shù)與鉍烯相差較大，在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的晶格失配應(yīng)力，導(dǎo)致鉍烯薄膜中出現(xiàn)大量的缺陷和位錯(cuò)，從而影響鉍烯的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能。襯底的表面能也會(huì)對(duì)鉍烯的生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響。表面能較高的襯底會(huì)對(duì)鉍原子產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附作用，使得鉍原子在襯底表面的遷移率降低，容易在局部區(qū)域聚集形成島狀生長(zhǎng)，不利于形成均勻的鉍烯薄膜。而表面能較低的襯底，鉍原子在其表面的遷移率較高，能夠更均勻地分布，有利于鉍烯的層狀生長(zhǎng)。在選擇襯底時(shí)，需要綜合考慮表面能的影響，以獲得理想的鉍烯生長(zhǎng)質(zhì)量。襯底的化學(xué)性質(zhì)同樣不容忽視。具有特定化學(xué)性質(zhì)的襯底可能會(huì)與鉍原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響鉍烯的生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu)。在一些金屬襯底上，鉍原子可能會(huì)與金屬原子發(fā)生擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)，形成金屬間化合物，這不僅會(huì)改變鉍烯的化學(xué)組成，還可能影響其電學(xué)性能。在選擇襯底時(shí)，需要避免襯底與鉍原子發(fā)生不必要的化學(xué)反應(yīng)，以保證鉍烯的純度和性能。4.2.2生長(zhǎng)溫度生長(zhǎng)溫度對(duì)鉍烯的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)具有重要影響，它直接關(guān)系到鉍原子的擴(kuò)散、吸附和反應(yīng)速率，從而影響鉍烯的晶體質(zhì)量和生長(zhǎng)取向。在較低的生長(zhǎng)溫度下，鉍原子的擴(kuò)散速率較慢，原子在襯底表面的遷移能力有限，導(dǎo)致鉍烯的生長(zhǎng)速率較低。此時(shí)，鉍原子容易在局部區(qū)域聚集形成小的晶核，晶核的生長(zhǎng)受到限制，難以形成大面積的高質(zhì)量鉍烯薄膜。在分子束外延生長(zhǎng)鉍烯時(shí)，若生長(zhǎng)溫度過(guò)低，鉍原子在襯底表面的遷移距離較短，容易形成島狀生長(zhǎng)，且島與島之間的合并困難，導(dǎo)致薄膜中存在較多的晶界和缺陷。隨著生長(zhǎng)溫度的升高，鉍原子的擴(kuò)散速率加快，原子在襯底表面的遷移能力增強(qiáng)，有利于鉍烯的層狀生長(zhǎng)。較高的生長(zhǎng)溫度可以使鉍原子更均勻地分布在襯底表面，促進(jìn)晶核的均勻成核和生長(zhǎng)，從而形成高質(zhì)量的鉍烯薄膜。過(guò)高的生長(zhǎng)溫度也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。一方面，過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致鉍原子的脫附速率增加，使得鉍烯的生長(zhǎng)速率難以控制，甚至可能出現(xiàn)鉍烯薄膜的分解。另一方面，高溫還可能導(dǎo)致鉍烯表面的粗糙度增加，引入更多的缺陷，影響鉍烯的電學(xué)性能。在化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)鉍烯時(shí)，過(guò)高的生長(zhǎng)溫度可能會(huì)使鉍源的分解速率過(guò)快，導(dǎo)致鉍原子在襯底表面的沉積不均勻，從而影響鉍烯的質(zhì)量。生長(zhǎng)溫度還會(huì)影響鉍烯的生長(zhǎng)取向。不同的生長(zhǎng)溫度可能會(huì)導(dǎo)致鉍烯在襯底上呈現(xiàn)不同的生長(zhǎng)取向，從而影響其晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。在一定的溫度范圍內(nèi)，鉍烯可能會(huì)沿著襯底的特定晶向生長(zhǎng)，形成具有特定取向的晶體結(jié)構(gòu)。這種生長(zhǎng)取向的差異可能會(huì)導(dǎo)致鉍烯在不同方向上的電學(xué)性能出現(xiàn)各向異性，對(duì)其在電子器件中的應(yīng)用產(chǎn)生影響。4.2.3原子束流比在采用分子束外延等方法生長(zhǎng)鉍烯時(shí)，原子束流比是一個(gè)重要的生長(zhǎng)參數(shù)，它對(duì)鉍烯的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)和質(zhì)量有著顯著的影響。原子束流比主要是指鉍原子束流與其他相關(guān)原子束流（如襯底原子束流或其他摻雜原子束流）的比例關(guān)系。當(dāng)鉍原子束流與其他原子束流的比例適當(dāng)時(shí)，能夠?yàn)殂G烯的生長(zhǎng)提供合適的原子供應(yīng)，有利于形成高質(zhì)量的鉍烯薄膜。在分子束外延生長(zhǎng)鉍烯的過(guò)程中，精確控制鉍原子束流與襯底原子束流的比例，可以使鉍原子在襯底表面均勻地吸附和沉積，促進(jìn)鉍烯的層狀生長(zhǎng)。合適的原子束流比還可以保證鉍烯的化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確，避免因原子比例失調(diào)而引入雜質(zhì)和缺陷，從而提高鉍烯的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能。若原子束流比不合適，會(huì)對(duì)鉍烯的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。當(dāng)鉍原子束流過(guò)高時(shí)，過(guò)多的鉍原子會(huì)在襯底表面迅速聚集，導(dǎo)致生長(zhǎng)過(guò)程難以控制，容易形成多晶或非晶結(jié)構(gòu)，降低鉍烯的晶體質(zhì)量。鉍原子束流過(guò)高還可能導(dǎo)致鉍烯薄膜中出現(xiàn)鉍原子的團(tuán)聚現(xiàn)象，影響薄膜的均勻性和電學(xué)性能。相反，當(dāng)鉍原子束流過(guò)低時(shí)，鉍烯的生長(zhǎng)速率會(huì)受到限制，生長(zhǎng)過(guò)程緩慢，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。原子束流比的失調(diào)還可能導(dǎo)致鉍烯的生長(zhǎng)取向發(fā)生改變，影響其晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。在生長(zhǎng)過(guò)程中，原子束流比還可能會(huì)影響鉍烯的摻雜效果。在進(jìn)行摻雜生長(zhǎng)時(shí)，控制好鉍原子束流與摻雜原子束流的比例，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉍烯電學(xué)性能的有效調(diào)控。若摻雜原子束流過(guò)高或過(guò)低，都可能導(dǎo)致?lián)诫s不均勻，影響鉍烯的電學(xué)性能和應(yīng)用效果。4.3鉍烯在不同襯底上的生長(zhǎng)案例分析以鉍烯在SiC襯底上的生長(zhǎng)為例，研究其生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu)特性具有重要意義。SiC作為一種常見(jiàn)的半導(dǎo)體襯底，具有高硬度、高熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系或六方晶系，不同晶面的原子排列和化學(xué)性質(zhì)存在差異，這對(duì)鉍烯的生長(zhǎng)行為產(chǎn)生重要影響。在生長(zhǎng)過(guò)程中，首先鉍原子在SiC襯底表面發(fā)生吸附。由于SiC襯底的表面原子具有一定的活性，鉍原子能夠與襯底表面的原子形成化學(xué)鍵或通過(guò)范德華力相互作用而吸附在襯底上。研究發(fā)現(xiàn)，鉍原子在SiC襯底的某些特定晶面上具有較高的吸附能，使得鉍原子更容易在這些晶面上吸附，從而影響鉍烯的生長(zhǎng)取向。在SiC(0001)晶面上，鉍原子可能優(yōu)先吸附在Si原子終止的表面，形成穩(wěn)定的吸附位點(diǎn)。隨著鉍原子的不斷吸附，原子開(kāi)始在襯底表面擴(kuò)散。在適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)溫度下，鉍原子獲得足夠的能量在襯底表面遷移，尋找合適的位置進(jìn)行沉積和反應(yīng)。在擴(kuò)散過(guò)程中，鉍原子之間會(huì)發(fā)生相互作用，逐漸聚集形成小的晶核。這些晶核的形成是鉍烯生長(zhǎng)的關(guān)鍵步驟，晶核的數(shù)量和分布會(huì)影響鉍烯的生長(zhǎng)質(zhì)量和均勻性。研究表明，生長(zhǎng)溫度和原子束流比等因素會(huì)影響晶核的形成和生長(zhǎng)。較高的生長(zhǎng)溫度有利于鉍原子的擴(kuò)散和晶核的均勻分布，而合適的原子束流比可以控制晶核的生長(zhǎng)速率，避免晶核的過(guò)度生長(zhǎng)或團(tuán)聚。當(dāng)晶核生長(zhǎng)到一定尺寸后，它們會(huì)逐漸合并形成連續(xù)的鉍烯薄膜。在合并過(guò)程中，晶界的形成是不可避免的。晶界的存在會(huì)影響鉍烯的電學(xué)性能和晶體質(zhì)量，因?yàn)榫Ы缣幍脑优帕胁灰?guī)則，存在較多的缺陷和應(yīng)力。為了減少晶界的影響，需要優(yōu)化生長(zhǎng)條件，如精確控制生長(zhǎng)溫度、原子束流比和襯底表面的平整度等。通過(guò)分子束外延技術(shù)在高質(zhì)量的SiC襯底上生長(zhǎng)鉍烯時(shí)，通過(guò)精確控制生長(zhǎng)參數(shù)，可以獲得大面積、高質(zhì)量的鉍烯薄膜，晶界密度較低，從而提高鉍烯的電學(xué)性能。鉍烯與SiC襯底之間的相互作用對(duì)鉍烯的性能產(chǎn)生重要影響。由于SiC襯底的晶格常數(shù)與鉍烯存在一定的差異，在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)在界面處產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鉍烯的晶格發(fā)生畸變，影響其電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。應(yīng)力還可能導(dǎo)致鉍烯薄膜中出現(xiàn)位錯(cuò)和缺陷，降低其晶體質(zhì)量。通過(guò)選擇合適的緩沖層或采用特殊的生長(zhǎng)工藝，可以有效地緩解界面應(yīng)力，提高鉍烯的質(zhì)量和性能。在SiC襯底上生長(zhǎng)一層與鉍烯晶格匹配度更好的緩沖層，如鍺（Ge）層，可以減小鉍烯與SiC襯底之間的晶格失配，降低界面應(yīng)力，從而提高鉍烯的生長(zhǎng)質(zhì)量和電學(xué)性能。鉍烯與SiC襯底之間的電荷轉(zhuǎn)移也會(huì)影響鉍烯的性能。由于SiC和鉍烯的電子結(jié)構(gòu)不同，在界面處可能會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。這種電荷轉(zhuǎn)移會(huì)改變鉍烯的電子云分布和能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其電學(xué)性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在鉍烯/SiC異質(zhì)結(jié)中，電荷從SiC襯底向鉍烯轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致鉍烯的費(fèi)米能級(jí)發(fā)生移動(dòng)，電學(xué)性能發(fā)生改變。這種電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象可以通過(guò)施加外部電場(chǎng)等方式進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉍烯電學(xué)性能的優(yōu)化。4.4鉍烯結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的優(yōu)化策略為了制備出高質(zhì)量、大面積且性能穩(wěn)定的鉍烯，需要采取一系列優(yōu)化策略來(lái)調(diào)控鉍烯的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過(guò)程，從而提高其晶體質(zhì)量和生長(zhǎng)均勻性。4.4.1生長(zhǎng)參數(shù)優(yōu)化生長(zhǎng)參數(shù)的精確控制是優(yōu)化鉍烯結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的關(guān)鍵。在分子束外延（MBE）生長(zhǎng)鉍烯時(shí)，生長(zhǎng)溫度對(duì)鉍烯的晶體質(zhì)量和生長(zhǎng)取向有著顯著影響。一般來(lái)說(shuō)，較低的生長(zhǎng)溫度可能導(dǎo)致鉍原子的擴(kuò)散速率較慢，原子在襯底表面的遷移能力有限，從而容易形成小的晶核，且晶核的生長(zhǎng)受到限制，難以形成大面積的高質(zhì)量鉍烯薄膜。而過(guò)高的生長(zhǎng)溫度則可能使鉍原子的脫附速率增加，導(dǎo)致鉍烯的生長(zhǎng)速率難以控制，甚至可能出現(xiàn)鉍烯薄膜的分解，同時(shí)還會(huì)使鉍烯表面的粗糙度增加，引入更多的缺陷，影響其電學(xué)性能。因此，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方式，確定最佳的生長(zhǎng)溫度范圍。研究表明，對(duì)于在InSb(111)襯底上生長(zhǎng)鉍烯，合適的生長(zhǎng)溫度通常在300-400℃之間，在此溫度范圍內(nèi)，鉍原子能夠在襯底表面均勻地吸附和擴(kuò)散，有利于形成高質(zhì)量的鉍烯薄膜。原子束流比也是一個(gè)重要的生長(zhǎng)參數(shù)。在MBE生長(zhǎng)過(guò)程中，精確控制鉍原子束流與襯底原子束流或其他摻雜原子束流的比例，可以為鉍烯的生長(zhǎng)提供合適的原子供應(yīng)，促進(jìn)鉍烯的層狀生長(zhǎng)。當(dāng)鉍原子束流過(guò)高時(shí)，過(guò)多的鉍原子會(huì)在襯底表面迅速聚集，導(dǎo)致生長(zhǎng)過(guò)程難以控制，容易形成多晶或非晶結(jié)構(gòu)，降低鉍烯的晶體質(zhì)量。相反，當(dāng)鉍原子束流過(guò)低時(shí)，鉍烯的生長(zhǎng)速率會(huì)受到限制，生長(zhǎng)過(guò)程緩慢，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此，需要根據(jù)不同的襯底和生長(zhǎng)需求，精確調(diào)節(jié)原子束流比，以獲得高質(zhì)量的鉍烯。在生長(zhǎng)過(guò)程中，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原子束流比，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，以確保生長(zhǎng)過(guò)程的穩(wěn)定性和可控性。在化學(xué)氣相沉積（CVD）生長(zhǎng)鉍烯時(shí)，氣體流量和反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)也對(duì)鉍烯的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)起著重要作用。氣體流量的大小直接影響著氣態(tài)鉍源在反應(yīng)室中的濃度和分布，從而影響鉍原子在襯底表面的沉積速率和均勻性。反應(yīng)時(shí)間則決定了鉍烯的生長(zhǎng)厚度和晶體質(zhì)量。如果反應(yīng)時(shí)間過(guò)短，鉍烯的生長(zhǎng)厚度可能不足，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求；而反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則可能導(dǎo)致鉍烯薄膜中出現(xiàn)過(guò)多的缺陷和雜質(zhì)，影響其性能。通過(guò)優(yōu)化氣體流量和反應(yīng)時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉍烯生長(zhǎng)厚度和質(zhì)量的精確控制。在以BiCl?為鉍源，H?為載氣的CVD生長(zhǎng)過(guò)程中，當(dāng)氣體流量控制在一定范圍內(nèi)，反應(yīng)時(shí)間為3-5小時(shí)時(shí)，可以獲得高質(zhì)量、厚度均勻的鉍烯薄膜。4.4.2緩沖層的應(yīng)用采用緩沖層是改善鉍烯與襯底之間晶格匹配度和降低界面應(yīng)力的有效方法。由于鉍烯與大多數(shù)襯底的晶格常數(shù)存在差異，在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)在界面處產(chǎn)生較大的晶格失配應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鉍烯薄膜中出現(xiàn)大量的缺陷和位錯(cuò)，從而影響鉍烯的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能。在SiC襯底上生長(zhǎng)鉍烯時(shí)，由于SiC與鉍烯的晶格常數(shù)不匹配，會(huì)在界面處產(chǎn)生較大的應(yīng)力。通過(guò)在SiC襯底上先生長(zhǎng)一層與鉍烯晶格匹配度更好的緩沖層，如鍺（Ge）層，可以減小鉍烯與SiC襯底之間的晶格失配，降低界面應(yīng)力。Ge層的晶格常數(shù)與鉍烯較為接近，能夠?yàn)殂G烯的生長(zhǎng)提供一個(gè)良好的過(guò)渡層，使鉍烯在Ge緩沖層上能夠更好地外延生長(zhǎng)，形成高質(zhì)量的薄膜。緩沖層還可以改善鉍烯與襯底之間的化學(xué)兼容性。在一些情況下，襯底與鉍烯之間可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響鉍烯的生長(zhǎng)和性能。通過(guò)在襯底與鉍烯之間引入緩沖層，可以避免這種化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，保證鉍烯的純度和性能。在金屬襯底上生長(zhǎng)鉍烯時(shí)，金屬原子可能會(huì)與鉍原子發(fā)生擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)，形成金屬間化合物，影響鉍烯的電學(xué)性能。在金屬襯底上先生長(zhǎng)一層絕緣的緩沖層，如Al?O?層，可以有效地隔離金屬襯底與鉍烯，防止它們之間的化學(xué)反應(yīng)，從而提高鉍烯的質(zhì)量和穩(wěn)定性。緩沖層的厚度和質(zhì)量也對(duì)鉍烯的生長(zhǎng)有著重要影響。過(guò)薄的緩沖層可能無(wú)法有效地緩解界面應(yīng)力和改善化學(xué)兼容性，而過(guò)厚的緩沖層則可能會(huì)引入額外的缺陷和雜質(zhì)，影響鉍烯的性能。因此，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，確定最佳的緩沖層厚度和生長(zhǎng)條件，以獲得高質(zhì)量的鉍烯薄膜。研究表明，對(duì)于在SiC襯底上生長(zhǎng)鉍烯，Ge緩沖層的厚度在5-10納米之間時(shí)，可以有效地降低界面應(yīng)力，提高鉍烯的晶體質(zhì)量。五、石墨烯基異質(zhì)結(jié)與鉍烯的關(guān)聯(lián)研究5.1石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建與特性構(gòu)建高質(zhì)量的石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)是探索其潛在應(yīng)用的基礎(chǔ)，目前主要采用物理氣相沉積（PVD）和分子束外延（MBE）等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。物理氣相沉積法是通過(guò)在高溫下將鉍原子蒸發(fā)并沉積在預(yù)先制備好的石墨烯表面，從而實(shí)現(xiàn)石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建。在具體操作過(guò)程中，首先將石墨烯轉(zhuǎn)移到合適的襯底上，如SiO?/Si襯底。然后將鉍源加熱至高溫，使其蒸發(fā)產(chǎn)生鉍原子束。這些鉍原子在真空中傳輸并到達(dá)石墨烯表面，在表面吸附、擴(kuò)散并逐漸沉積，形成鉍烯層，最終構(gòu)建出石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠精確控制鉍烯的生長(zhǎng)層數(shù)和質(zhì)量，通過(guò)控制鉍原子的蒸發(fā)速率和沉積時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉍烯厚度的精確調(diào)控。由于生長(zhǎng)過(guò)程在真空中進(jìn)行，能夠有效避免雜質(zhì)的引入，從而制備出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)。PVD法也存在一些缺點(diǎn)，設(shè)備成本較高，需要高溫蒸發(fā)設(shè)備和真空系統(tǒng)等；生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢，難以實(shí)現(xiàn)大面積、快速的制備。分子束外延法則是在超高真空環(huán)境下，將鉍原子束和碳原子束（若需要原位生長(zhǎng)石墨烯）或直接將鉍原子束蒸發(fā)后，在精確控制的條件下，噴射到預(yù)先放置好的石墨烯襯底表面，原子在襯底表面逐層沉積并外延生長(zhǎng)，形成石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)精確控制原子束的流量、能量和襯底溫度等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)別的精確控制，制備出高質(zhì)量、原子級(jí)平整的異質(zhì)結(jié)。由于生長(zhǎng)環(huán)境的超高真空特性，能夠有效避免雜質(zhì)的污染，保證異質(zhì)結(jié)的高純度。MBE技術(shù)的設(shè)備昂貴，需要復(fù)雜的超高真空系統(tǒng)、原子束蒸發(fā)源和監(jiān)控系統(tǒng)等；生長(zhǎng)速度極慢，生長(zhǎng)速率通常在1ML/s（單層每秒）或者1μm/h或更低的水平，這使得制備大面積的異質(zhì)結(jié)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，生產(chǎn)效率較低。通過(guò)這些方法構(gòu)建的石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和電子特性。在結(jié)構(gòu)方面，由于石墨烯和鉍烯之間通過(guò)范德華力相互作用，使得異質(zhì)結(jié)的界面相對(duì)平滑，能夠保持各自的晶體結(jié)構(gòu)完整性。研究表明，在理想情況下，石墨烯和鉍烯的晶格能夠?qū)崿F(xiàn)較好的匹配，減少界面處的應(yīng)力和缺陷。在電子特性方面，石墨烯的高導(dǎo)電性和鉍烯的帶隙特性相結(jié)合，使得異質(zhì)結(jié)具有獨(dú)特的電學(xué)性能。由于鉍烯具有一定的固有帶隙，在與石墨烯形成異質(zhì)結(jié)后，能夠在一定程度上打開(kāi)石墨烯的帶隙，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)石墨烯在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用具有重要意義。通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯與鉍烯的層數(shù)比例，可以有效地調(diào)控異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。理論計(jì)算表明，當(dāng)增加鉍烯的層數(shù)時(shí)，異質(zhì)結(jié)的帶隙會(huì)逐漸增大，而載流子遷移率則會(huì)受到一定程度的影響。在異質(zhì)結(jié)中，石墨烯和鉍烯之間存在著復(fù)雜的相互作用。一方面，電荷轉(zhuǎn)移是兩者相互作用的重要表現(xiàn)形式。由于石墨烯和鉍烯的電子結(jié)構(gòu)不同，在形成異質(zhì)結(jié)后，電子會(huì)在兩者之間發(fā)生轉(zhuǎn)移。研究發(fā)現(xiàn)，電子會(huì)從石墨烯向鉍烯轉(zhuǎn)移，這是因?yàn)殂G烯的電負(fù)性相對(duì)較大，具有更強(qiáng)的吸引電子的能力。這種電荷轉(zhuǎn)移會(huì)導(dǎo)致石墨烯和鉍烯的電子云分布發(fā)生變化，從而影響異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能。另一方面，范德華力在維持異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面起著關(guān)鍵作用。盡管范德華力相對(duì)較弱，但它能夠使石墨烯和鉍烯在保持各自晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，緊密地結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。5.2石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)的性能優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和電子特性，展現(xiàn)出諸多性能優(yōu)勢(shì)，在電子學(xué)、能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在電子學(xué)領(lǐng)域，高載流子遷移率是石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)的顯著優(yōu)勢(shì)之一。石墨烯具有極高的載流子遷移率，在室溫下可達(dá)15000cm2/（V?s），這使得電子在石墨烯中能夠快速傳輸，為構(gòu)建高速電子器件提供了基礎(chǔ)。鉍烯同樣具有較高的載流子遷移率，在室溫下其載流子遷移率可達(dá)到一定數(shù)值，這使得鉍烯在電子學(xué)領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)石墨烯與鉍烯形成異質(zhì)結(jié)后，兩者的高載流子遷移率特性得以結(jié)合，使得異質(zhì)結(jié)在電子傳輸方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在晶體管應(yīng)用中，高載流子遷移率能夠有效提高晶體管的開(kāi)關(guān)速度，降低器件的功耗，從而提升集成電路的運(yùn)行效率和性能。良好的電學(xué)性能是石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)的另一重要優(yōu)勢(shì)。鉍烯的帶隙特性與石墨烯的高導(dǎo)電性相結(jié)合，為異質(zhì)結(jié)帶來(lái)了獨(dú)特的電學(xué)性能。由于鉍烯具有一定的固有帶隙，在與石墨烯形成異質(zhì)結(jié)后，能夠在一定程度上打開(kāi)石墨烯的帶隙，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)石墨烯在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用具有重要意義。通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯與鉍烯的層數(shù)比例，可以有效地調(diào)控異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。在邏輯電路中，這種具有可調(diào)控帶隙和良好電學(xué)性能的異質(zhì)結(jié)可用于制備高性能的晶體管和集成電路，有望解決傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件面臨的功耗和尺寸限制等問(wèn)題，推動(dòng)電子器件向更小尺寸、更高性能的方向發(fā)展。在能源領(lǐng)域，石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)在儲(chǔ)能方面展現(xiàn)出良好的性能優(yōu)勢(shì)。鉍烯的晶體結(jié)構(gòu)賦予了它較大的層間距，這種較大的層間距為離子的嵌入和脫出提供了較大的空間，使得鉍烯在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和較大的比表面積，能夠提高電極材料的電子傳輸效率和離子擴(kuò)散速率。當(dāng)石墨烯與鉍烯形成異質(zhì)結(jié)后，兩者的優(yōu)勢(shì)相互結(jié)合，使得異質(zhì)結(jié)在電池和超級(jí)電容器等儲(chǔ)能器件中表現(xiàn)出良好的性能。在鋰離子電池中，石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)作為電極材料，能夠提高電池的充放電速率和循環(huán)穩(wěn)定性，增加電池的能量密度，為實(shí)現(xiàn)高性能的儲(chǔ)能器件提供了新的材料選擇。在傳感器領(lǐng)域，石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)也具有潛在的應(yīng)用前景。石墨烯對(duì)某些氣體分子具有特殊的吸附和電學(xué)響應(yīng)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣體分子的高靈敏度檢測(cè)。鉍烯的電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)也使其對(duì)一些氣體分子具有一定的吸附和反應(yīng)活性。當(dāng)石墨烯與鉍烯形成異質(zhì)結(jié)后，兩者的協(xié)同作用可能會(huì)進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度和選擇性。在氣體傳感器中，石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)可以利用其對(duì)特定氣體分子的吸附和電學(xué)性能變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和安全防護(hù)等領(lǐng)域提供有效的技術(shù)支持。在光電器件領(lǐng)域，石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。鉍烯在可見(jiàn)光和近紅外光波段具有較強(qiáng)的光吸收能力，其光發(fā)射特性也使其在發(fā)光二極管等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。石墨烯的高導(dǎo)電性和光學(xué)透明性，能夠提高光電器件的光電轉(zhuǎn)換效率和發(fā)光強(qiáng)度。在光電探測(cè)器中，石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)能夠充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的高靈敏度、高速度探測(cè)，滿足未來(lái)光通信和光傳感等領(lǐng)域的需求；在發(fā)光二極管中，該異質(zhì)結(jié)可用于制備高效的發(fā)光器件，為照明和顯示技術(shù)的發(fā)展提供新的解決方案。5.3基于石墨烯基異質(zhì)結(jié)與鉍烯的新型器件設(shè)計(jì)基于石墨烯基異質(zhì)結(jié)與鉍烯的獨(dú)特性能，我們提出了一種高性能晶體管的設(shè)計(jì)思路。該晶體管以石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)作為溝道材料，利用石墨烯的高載流子遷移率和鉍烯的帶隙特性，有望實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的電子傳輸。在工作原理方面，當(dāng)柵極施加正電壓時(shí)，電子從源極注入到石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)溝道中。由于石墨烯的高載流子遷移率，電子能夠在溝道中快速傳輸，減少了傳輸過(guò)程中的能量損耗。鉍烯的帶隙特性使得晶體管在關(guān)態(tài)下能夠有效阻擋電流，提高了晶體管的開(kāi)關(guān)比。在源極和漏極之間形成的電場(chǎng)作用下，電子在溝道中定向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了電流的導(dǎo)通和截止，從而完成晶體管的基本功能。這種高性能晶體管具有諸多性能特點(diǎn)。具有極高的開(kāi)關(guān)速度，由于石墨烯的高載流子遷移率，電子在溝道中的傳輸速度極快，使得晶體管能夠在短時(shí)間內(nèi)完成開(kāi)關(guān)動(dòng)作，適用于高速電路應(yīng)用。擁有較高的開(kāi)關(guān)比，鉍烯的帶隙特性使得晶體管在關(guān)態(tài)下的漏電流極低，而在開(kāi)態(tài)下能夠?qū)ㄝ^大的電流，從而提高了開(kāi)關(guān)比，降低了功耗。該晶體管還具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，石墨烯和鉍烯的優(yōu)異物理性質(zhì)使得異質(zhì)結(jié)在不同的工作環(huán)境下都能保持穩(wěn)定的性能?；谑┗愘|(zhì)結(jié)與鉍烯，我們還設(shè)計(jì)了一種新型傳感器，用于高靈敏度的氣體檢測(cè)。該傳感器利用石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)與氣體分子之間的相互作用，通過(guò)檢測(cè)異質(zhì)結(jié)電學(xué)性能的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。其工作原理為，當(dāng)目標(biāo)氣體分子吸附在石墨烯/鉍烯異質(zhì)結(jié)表面時(shí)，會(huì)與異質(zhì)結(jié)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理吸附，導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。由于氣體分子的吸附，電子會(huì)在異質(zhì)結(jié)與氣體分子之間發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而改變異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能。在檢測(cè)NO