任天令教授團隊 石墨烯器件研究進展

 

　　近年來，任教授團隊致力于研究突破傳統器件限制的新型微納電子器件，為新一代微納電子器件技術奠定基礎，尤其關注石墨烯傳感器的基礎研究與應用探索，在新型石墨烯聲學器件和各類傳感器件方面獲得了多項重要創新成果，如柔性石墨烯發聲器件、智能石墨烯人工喉、新型石墨烯阻變存儲器、光譜可調的石墨烯發光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調石墨烯應力傳感器等。

 

　　任教授團隊承擔了國家自然科學重點基金、國家重大科技專項、科技部863計劃、科技部973計劃等多項重要科研項目。主要研究方向為新型微納電子器件與集成系統技術，包括：智能傳感技術、二維納電子器件、新型存儲器、柔性微電子器件與系統等。在國內外學術期刊和會議發表論文300余篇，包括Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Nanoscale、Applied Physics Letters、IEEE Electron Device Letters 等SCI 期刊論文160余篇，國際微電子領域頂級學術會議IEDM論文10篇;獲國內外發明專利50余項。

 

　　任天令教授團隊成員還包括：楊軼副教授，伍曉明副教授，付軍副教授，王敬副教授，謝丹副教授，梁仁榮助理研究員，田禾助理教授，以及40余名博士后、研究生和本科生。

 

 

　　1.智能石墨烯人工喉

 

　　任教授團隊研制出了智能石墨烯人工喉，其利用石墨烯的熱聲效應來發射聲音，利用石墨烯的壓阻效應來接收聲音，實現了單器件的聲音收發同體。器件使用的多孔石墨烯材料具有高熱導率和低熱容率的特點，能夠通過熱聲效應發出100Hz-40kHz的寬頻譜聲音;其多孔結構對壓力也極為敏感，能夠感知發聲時喉嚨處的微弱振動，可以通過壓阻效應接收聲音信號。因此，這種器件能夠準確感知聾啞人低吟、尖叫等特殊聲音，并將這種“無含義聲音”轉換為頻率、強度可控的聲音，有望輔助聾啞人“開口說話”。該項工作被人民網、新浪科技、清華新聞網等媒體報道。

　　　圖1，智能石墨烯人工喉發聲。(L. Q. Tao, H. Tian, Y. Liu, Z. Y. Ju, Y. Pang, Y. Q. Chen, D. Y. Wang, X. G. Tian, J. C. Yan, N. Q. Deng, Y. Yang, and T. L. Ren. An intelligent artificial throat with sound-sensing ability based on laser induced gaphene. [J]. Nature Communications, 2017, 8:14579.)

 

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/ncomms14579

 

 

　　2.石墨烯波長/色彩可調LED

 

　　迄今為止，所有的發光器件中，發光顏色(波長)由發光材料決定。對于現有的發光器件而言，一旦制備完成，其發光波長是固定的。傳統顯示或照明技術通過調整幾種固定顏色(典型器件使用紅、綠、藍三基色)發光單元的亮度，來實現顏色的表示或白光的合成。任教授團隊首次報道了的基于石墨烯的波長/色彩可調LED，在獲得優異的顏色保真度的同時，還可以使得顯示器件內的發光單元數目顯著減小，從而極大地優化驅動電路并降低功耗，這項成果在相關領域具有深遠的意義。該項工作被中國青年網、新浪網、清華新聞網等媒體報道。

 

圖2，石墨烯LED發出不同顏色的光示意圖。(X. M. Wang, H. Tian, M. A. Mohammad, C. Li, C. Wu, Y. Yang, and T. L. Ren. A spectrally tunable all-graphene-based flexible field-effect light-emitting device [J]. Nature Communications, 2015, 6:7767.)

 

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/ncomms8767

 

　　3. 石墨烯硅柱陣列異質結構太陽能電池

 

　　任天令教授團隊從理論和實驗研究了提高石墨烯/硅異質結太陽能電池效率的方法。該研究從理論上提出了石墨烯/硅異質結太陽能電池的理論模型，模型分析顯示，通過控制石墨烯層數，調節石墨烯功函數和增加防反射層，最多可實現9%的轉化效率。根據理論預測結果，團隊制備了石墨烯/硅柱陣列異質結太陽能電池，從實驗上實現了高達7%的轉化效率。該研究從理論和實驗系統性地研究了石墨烯在太陽能電池中發揮的關鍵作用，對于石墨烯太陽能電池的發展具有重要意義。

 

 

 

　　圖3，石墨烯硅柱陣列異質結太陽能電池的結構和性能測試結果。(Y. X. Lin, X. Li, D. Xie, T. Feng, Y. Chen, R. Song, H. Tian, T. L. Ren, M. Zhong, K. Wang, and H. Zhu. Graphene/semiconductor heterojunction solar cells with modulated antireflection and graphene work function [J]. Energy & Environmental Science, 2012, 6(1):108-115.)

 

　　論文鏈接：

 

　　http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/ee/c2ee23538b#!divAbstract

 

　　4. 窗口可調阻變存儲器

 

　　阻變存儲器一直被認為是新一代的非揮發存儲器，然而傳統阻變存儲器的制備工藝一旦完成其存儲窗口就固定了，這極大限制了其應用范圍。任天令教授團隊首次提出了基于石墨烯的柵控阻變存儲器新概念，這一新型存儲器的寫電壓可在0.27V至4.5V之間連續可調，存儲窗口可調具有廣泛的應用前景，比如低擦寫電壓可實現系統的低功耗。這一柵控結構還可作為阻變存儲器陣列的選通開關，有望替代現有的分立的1D1R結構，可對當代高密度存儲技術產生革命性影響。該項工作被清華新聞網等媒體報道。

 

 

　　圖4，石墨烯電極窗口可調阻變存儲器結構示意圖和測試結果。(H. Tian, H. M. Zhao, X. F. Wang, Q. Y. Xie, H. Y. Chen, M. A. Mohammad, C. Li, W. T. Mi, Z. Bie, C. H. Yeh, Y. Yang, H. S. P. Wong, P. W. Chiu, and T. L. Ren. Tian H, Zhao H, Wang X F, et al. In Situ Tuning of Switching Window in a Gate-Controlled Bilayer Graphene-Electrode Resistive Memory Device. [J]. Advanced Materials, 2015, 27(47):7766.)

 

　　論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201503125/abstract

 

 

　　5. 石墨烯動態突出器件

 

　　類腦計算概念的提出，為微電子芯片的徹底革新提供了嶄新的途徑。人腦中有數以億計的神經元，不同的神經元之間又由突觸所連接，在這張龐大的神經網絡中，突觸扮演著最為基礎和重要的角色，突觸強度的可塑性是實現記憶和學習的基礎。任天令教授團隊創新性的采用雙層旋轉石墨烯，結合氧化鋁作為離子傳輸層實現了類突觸器件，同時通過背柵作為神經調節器，來控制突觸后輸出電流信號的強度。在負的背柵電壓下，可實現興奮型的類突觸行為，在正的背柵電壓下，能夠將突觸行為調制成抑制型，并且還能夠模擬突觸發育的全過程。這項工作首次實現了類突觸器件的可塑性可調，為類腦芯片模仿人腦神經網絡更高程度的智能提供了可能，在相關領域具有深遠的意義。該項工作被搜狐科技、清華新聞網等媒體報道。

 

　　圖5，石墨烯動態突觸器件示意圖和測試結果。(H. Tian, W. T. Mi, X. F. Wang, H. M. Zhao, Q. Y. Xie, C. Li, Y. X. Li, Y. Yang, and T. L. Ren. Graphene dynamic synapse with modulatable plasticity [J]. Nano letters, 2015, 15(12): 8013-8019.)

 

　　論文鏈接： http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5b03283

 

　　6. 石墨烯柔性阻變存儲器

 

　　任天令教授團隊通過激光直寫還原技術制備了新型柔性石墨烯阻變存儲器，相比于傳統平面型阻變存儲器，本團隊器件是類似于Fin的結構，該結構使用無需任何光刻板的激光直寫石墨烯技術，可以非常精確在制定位置生長石墨烯，使用激光定義石墨烯圖形，之后覆蓋氧化物，最后制備上頂電極。該器件具有非常好的柔性和較高的器件穩定性。

 

 

　　圖6，激光直寫石墨烯柔性阻變存儲器制備示意圖。(H. Tian, H. Y. Chen, T. L. Ren, C. Li, Q. T. Xue, M. A. Mohammad, C. Wu, Y. Yang, and H. S. P. Wong. Cost-effective, transfer-free, flexible resistive random access memory using laser-scribed reduced graphene oxide patterning technology [J]. Nano letters, 2014, 14(6): 3214-3219.)

 

　　論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/nl5005916

 

　　7. 石墨烯電極阻變存儲器中的氧原子移動

 

　　阻變存儲器的工作機制主要是通過氧原子的移動來解釋，然而目前對于氧原子移動機制的研究大多停留在理論階段，通過實驗驗證氧原子移動的工作機制具有重要的意義。任天令教授團隊提出將石墨烯插入到阻變存儲器的氧化物與金屬電極界面，通過在阻變存儲器處于不同狀態下時測試石墨烯的拉曼能譜，實現了對其中氧原子的移動規律的觀測，為阻變存儲器的機理研究提供了重要的分析手段和方法。

 

 

　　　圖7，石墨烯插入阻變存儲器結構示意圖和測試結果。(H. Tian, H. Y. Chen, B. Gao, S. Yu, J. Liang, Y. Yang, D. Xie, J. Kang, T. L. Ren, Y. Zhang, and H.-S. P. Wong. Monitoring oxygen movement by Raman spectroscopy of resistive random access memory with a graphene-inserted electrode [J]. Nano letters, 2013, 13(2): 651-657.)

 

　　論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/nl304246d

 

　　8. 石墨烯紙基壓力傳感器

 

　　任天令教授團隊創新性地提出了一種石墨烯紙基壓力傳感器，該器件通過熱還原手段，將多層混合的氧化石墨烯溶液與紙材料轉變為多層石墨烯紙。利用石墨烯紙層間的空氣通道以及紙材料獨特的微孔結構，有效使得石墨烯紙在壓力作用下，阻值發生顯著變化，從而實現對壓力的高靈敏度探測。并且，可以通過對紙的類型以及紙的層數進行優化，實現了壓力傳感器靈敏度的進一步提升。該器件在可穿戴應用方面具有極高的靈敏度，從而實現脈搏、呼吸以及多種運動狀態的精確檢測，對于柔性智能可穿戴傳感器的發展具有重大意義。此外，這一新型石墨烯紙基器件還具有環保、低成本、高柔性等突出特點。該項工作被清華新聞網等媒體報道。

 

　　圖8，石墨烯紙基壓力傳感器示意圖和測試結果。(L. Q. Tao, K. N. Zhang, H. Tian, Y. Liu, D. Y. Wang, Y. Q. Chen, Y. Yang, and T. L. Ren. Graphene-Paper Pressure Sensor for Detecting Human Motions [J]. ACS nano, 2017. (just accepted))

 

　　論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b02826

 

　　9.多層單晶石墨烯可控生長

 

　　任天令教授團隊利用常壓化學氣相沉積法，優化生長參數，在多晶銅箔表面制備出大尺寸不同堆疊方式的單晶六角形雙層與三層石墨烯，通過六角形的相對取向可以大體判斷石墨烯層間的旋轉角度，使用原子層沉積技術對幾層石墨烯的生長機理進行了探討，并利用濕法轉移的方式將所制備石墨烯完好地轉移到了二氧化硅等襯底上，便于后續觀測與應用。然后利用拉曼光譜結合透射電子顯微鏡，對所制備的單晶雙層與三層石墨烯進行了較為系統的分析，表明能帶結構與堆疊方式密切相關、單層石墨烯較AB堆疊雙層石墨烯能更好地減弱襯底作用以及30°旋轉堆疊會造成很少量的缺陷。

 

 

　　圖9，多層單晶石墨烯可控生長示意圖和光學照片。(H. M. Zhao, Y. C. Lin, C. H. Yeh, H. Tian, Y. C. Chen, D. Xie, Y. Yang, K. Suenaga, T. L. Ren, and P. W. Chiu. Growth and Raman spectra of single-crystal trilayer graphene with different stacking orientations [J]. ACS nano, 2014, 8(10): 10766-10773.)

 

　　論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn5044959

 

　　10. 石墨烯耳機

 

　　任天令教授團隊采用激光直寫技術，制備新型柔性石墨烯耳機，相比于傳統電磁式耳機，該耳機具有柔性和超薄的特點，以及低成本、高速和無需轉移的優勢，此外該石墨烯耳機能覆蓋可聽域和超聲域，具有比商用耳機更為廣闊而平坦的聲頻譜輸出。相比于可聽域，動物的聽覺對超聲頻段的聲音更為敏感，因此石墨烯耳機不僅可以應用于人，還有望應用于人與動物的交流，團隊基于該石墨烯耳機實現了對動物行為的控制。

 

 

 

　　圖10，石墨烯耳機制備示意圖和測試結果。(H. Tian, C. Li, M. A. Mohammad, Y. L. Cui, W. T. Mi, Y. Yang, D. Xie, and T. L. Ren. Graphene earphones: entertainment for both humans and animals [J]. ACS nano, 2014, 8(6): 5883-5890.)

 

　　論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/nn5009353

 

　　11. 石墨烯應力傳感器

 

　　任天令教授團隊利用激光直寫還原氧化石墨烯技術制備了一系列的傳感器。利用該技術成功實現了柔性石墨烯應力傳感器的制備，在DVD光盤基底上涂覆一層氧化石墨烯溶液層，利用激光還原并直接圖形化得到應力傳感器。該方法可獲得具有多層堆疊結構的石墨層，其靈敏度為0.11。此外，利用單次直寫可以得到石墨烯微米條帶，其靈敏度提高到9.49，主要由形變產生層間斷裂結構的接觸面積變化而導致電阻的改變。

 

 

　　

 

 

 

　　圖11，石墨烯應力傳感器示意圖和測試結果。(H. Tian, Y. Shu, Y. L. Cui, W. T. Mi, Y. Yang, D. Xie, and T. L. Ren. Scalable fabrication of high-performance and flexible graphene strain sensors [J]. Nanoscale, 2014, 6(2): 699-705.)

 

　　論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/nr/c3nr04521h

 

　　12. 超靈敏寬范圍石墨烯壓力傳感器

 

　　任天令教授團隊同時利用此技術也可以實現石墨烯壓力傳感器。通過把兩層激光直寫得到的石墨烯相對封裝后得到具有超高壓力響應范圍的傳感器，高達120 kPa，在0-50 kPa其靈敏度為0.96 kPa。由于其具有V字形的表面微結構能對按壓、彎曲和扭曲有明顯的響應，同時還可以制備成陣列實現對壓力分布的成像。

 

　　

 

 

 

　　圖12，石墨烯壓力傳感器示意圖及SEM表征結果。(H. Tian, Y. Shu, X. F. Wang, M. A. Mohammad, Z. Bie, Q. Y. Xie, C. Li, W. T. Mi, Y. Yang, and T. L. Ren. A graphene-based resistive pressure sensor with record-high sensitivity in a wide pressure range [J]. Scientific reports, 2015, 5: 8603.)

 

　　論文鏈接：http://www.nature.com/articles/srep08603-references.ris

 

　　13. 晶圓級集成石墨烯器件制備方法

 

　　任天令教授團隊實現了晶圓級大面積不同類型器件的集成制備，包括平面晶體管，光電探測器和揚聲器。其制備的平面晶體管具有5.34的開關比，光電探測器光響應為0.32 A/W，而石墨烯揚聲器在1-50 kHz具有平坦的聲壓輸出。激光直寫還原石墨烯技術在器件制備提升上表現出了低成本、快速和圖形化簡單的特點，在微納傳感器性能方面有優異的結果表現。

 

 

　

 

　　圖13，晶圓級集成石墨烯器件制備方法示意圖。(H. Tian, Y. Yang, D. Xie, Y. L. Cui, W. T. Mi, Y. G. Zhang, and T. L. Ren. Wafer-scale integration of graphene-based electronic, optoelectronic and electroacoustic devices [J]. Scientific reports, 2014, 4: 3598.)

 

　　論文鏈接：http://www.nature.com/articles/srep03598