直接化學氣相沉積(CVD)在介質上生長晶圓尺寸的高質量石墨烯對于廣泛應用具有至關重要的意義。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計一個在高溫下運行的電磁感應加熱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 分鐘內就可以獲得晶圓級高質量單層石墨烯，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) 感應加熱石墨烯甚高溫生長設備示意圖；(B, C) 反應腔室溫度模擬分布；(D) 石墨烯納米島在Al
2O
3 (0001) 面上的最優構象；(E) 不同旋轉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) 石墨烯在轉移到 SiO
2/Si 襯底上的光學顯微鏡圖；(F) 轉移到 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。
相關科研成果由北京大學劉忠范院士團隊等人于2021年發表在Science Advances (DOI: 10.1126/sciadv.abk0115)上。原文：Direct growth of wafer-scale highly oriented graphene on sapphire。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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