直接化學氣相沉積(CVD)在介質(zhì)上生長晶圓尺寸的高質(zhì)量石墨烯對于廣泛應(yīng)用具有至關(guān)重要的意義。然而，合成的石墨烯通常是一種具有高密度不可控缺陷的多晶薄膜，導致了低載流子遷移率和高片阻。本文報道了高定向單層石墨烯薄膜在藍寶石晶片上的直接生長。我們的生長策略是通過設(shè)計一個在高溫下運行的電磁感應(yīng)加熱CVD，在那里很容易克服高熱解和碳物種遷移障礙。同時，通過最小化其構(gòu)型能量，將胚胎石墨烯疇引導成良好的排列。因此，在 30 分鐘內(nèi)就可以獲得晶圓級高質(zhì)量單層石墨烯，它具有較高的載流子遷移率（~14,700 cm
2 V
-1 s
-1）和較低的方塊電阻（~587 Ω/□），與多晶金屬箔上的催化生長和碳化硅上的外延生長相比，這兩種生長方式更有利。
圖1. 藍寶石(0001)面對石墨烯的取向誘導作用機制。(A) 感應(yīng)加熱石墨烯甚高溫生長設(shè)備示意圖；(B, C) 反應(yīng)腔室溫度模擬分布；(D) 石墨烯納米島在Al
2O
3 (0001) 面上的最優(yōu)構(gòu)象；(E) 不同旋轉(zhuǎn)角度下石墨烯納米島與Al
2O
3 (0001)的相對能量。
圖2. 晶圓尺寸單層石墨烯的表征。(A) 石墨烯/藍寶石晶圓的實物照片；(B) 石墨烯薄膜的典型 SEM 圖像；(C) 石墨烯薄膜的拉曼光譜；(D) 石墨烯薄膜的拉曼 I
2D/I
G mapping圖；(E) 石墨烯在轉(zhuǎn)移到 SiO
2/Si 襯底上的光學顯微鏡圖；(F) 轉(zhuǎn)移到 SiO
2/Si 襯底上石墨烯的原子力顯微鏡高度圖；(G) 石墨烯/藍寶石界面的透射電子顯微鏡圖。
圖3. 晶圓尺寸單層石墨烯的取向表征。(A-D) 石墨烯/藍寶石的低能電子衍射圖案；(E-H) 石墨烯薄膜的透射電鏡表征；(I-L) 石墨烯/藍寶石掃描隧道顯微鏡圖與掃描隧道譜。
圖4. 該方法獲得的石墨烯薄膜的電學表征。(A) 2 英寸石墨烯/藍寶石晶圓的方塊電阻圖；(B) 本工作中直接生長石墨烯的薄層電阻與與文獻報道生長結(jié)果的比較；(C) 石墨烯電阻對頂柵電壓的影響，以及非線性擬合；(D) 藍寶石上室溫生長石墨烯薄膜的太赫茲大尺寸遷移率圖。
相關(guān)科研成果由北京大學劉忠范院士團隊等人于2021年發(fā)表在Science Advances (DOI: 10.1126/sciadv.abk0115)上。原文：Direct growth of wafer-scale highly oriented graphene on sapphire。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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