藍寶石襯底上製備硅片級高取向石墨烯

Al2O3 （ 0001 ）上石墨烯疇取向的機理基板（ A ）自制的感應加熱 CVD 反應器的原理圖，其中藍寶石襯底直接放置在被感應線圈包圍的石墨載體上。(乙和丙)模擬了感應加熱冷壁 CVD 系統的溫度分佈（ 1400 ° C ， 2000 Pa ）（ B ）和相應的溫度曲線對石墨載體（ C ）的距離。(四)兩種構型的石墨烯團簇 C24H12 吸附在藍寶石（ 0001 ）襯底上，旋轉角度爲 30 °。C1 和 C2 表示表面低 Al 原子上的 C 原子。石墨烯和藍寶石( 0001 )的晶格矢量分別標註爲綠色箭頭和藍色箭頭。(中)用第一性原理計算不同旋轉角下 Al2O3 （ 0001 ）襯底上石墨烯簇 C24H12 的相對能量。空心圓和正方形對應於 0 °、 30 °和 60 °的無約束配置。貸：科學進展，10.1126/ sci adv . abk0115

研究人員已經使用直接化學氣相沉積（ CVD ）生長的晶圓級，高品質的石墨烯的介電多用途的應用。然而，這種方式合成的石墨烯已經顯示出多晶薄膜具有不可控的缺陷，低載流子遷移率，高街阻，因此，研究人員的目標是引入新的方法來開發晶圓級石墨烯。在最近發表於科學進展中國、英國和新加坡的一個納米化學、智能材料和物理學的國際研究團隊描述了在藍寶石硅片薄膜上直接生長高取向單層石墨烯的過程。他們通過在高溫下設計電磁感應 CVD 來實現生長策略。用這種方法制備的石墨烯薄膜顯示出明顯改善的載流子遷移率和降低的薄膜電阻。

石墨烯在材料中的發展與應用。

石墨烯具有良好的機械魯棒性，高載流子遷移率，增加了光學透明度，並有望高頻應用以及透明導電電極.的 Dirac 電子的線性色散石墨烯還可以允許目標設備包括光電探測器和光調製器.大多數此類應用都依賴於單晶、晶圓級石墨烯的使用無污染或破損.而晶圓級、高遷移率石墨烯則被以前生產的現成，整個硅片的層數均勻性仍然不能令人滿意。因此，研究人員試圖促進石墨烯的直接合成氧化矽, 六方氮化硼( hBN )，以及玻璃通過使用傳統的化學氣相沉積技術。在這項工作中，陳等提出了晶圓級連續、高度定向的直接生長單層石墨烯藍寶石上的薄膜基於電磁感應加熱的方法化學氣相沉積。這種在藍寶石芯片上直接生長高取向石墨烯薄膜的方法爲新興的石墨烯電子學和光子學鋪平了道路。

利用電磁感應加熱 CVD 法在藍寶石芯片上直接生長單層石墨烯薄膜（ A ）一張 2 英寸石墨烯/藍寶石硅片生長時的典型照片。圖片來源：陳兆龍，北京大學。（ b ）藍寶石上生長石墨烯的典型 SEM 圖像。插圖顯示石墨烯的高倍率 SEM 圖像。(丙)從標記在（ A ）中的代表位置測量的生長石墨烯的拉曼光譜。阿巴單位，任意單位。藍寶石上生長石墨烯薄膜的 Raman I2D / IG 圖。（五）光學顯微鏡（ OM ）在轉移到 SiO 2 / Si 襯底上後生長的石墨烯的圖像。（ f ）原子力顯微鏡（ AFM ）轉移到 Si O2 / Si 襯底上後生長的石墨烯的高度圖像。（ g ）藍寶石上生長的石墨烯的高分辨率截面透射電子顯微鏡（ TEM ）圖像。貸：科學進展，10.1126/ sci adv . abk0115

實驗：藍寶石上的石墨烯

在驗過程中， Chen 等利用電磁感應加熱作爲化學氣相沉積（ CVD ）系統的熱源，在高質量石墨烯生長過程中擴展生長參數空間。該反應堆能夠在 10 分鐘內迅速升溫到 1400 攝氏度。該工藝允許精確調節活性炭供應的單層石墨烯的均勻生長。為了暸解藍寶石在石墨烯形成過程中的作用，該團隊進行了密度泛函理論（ DFT ）計算，以揭示藍寶石上石墨烯疇的優選取向。為了實現這一點，他們模擬了一個小石墨烯簇（ C24H12）上一個氧化鋁石板該模型顯示的可能性，芯片級的高取向的石墨烯在藍寶石上的生長後，界面耦合引導的生長機制。生長過程中溫度的升高有利於甲烷的充分熱解和活性炭在藍寶石表面的有效遷移，從而促進了藍寶石的生長速率和晶體質量。在 30 分鐘內，連續的石墨烯薄膜覆蓋了 2 英寸的藍寶石芯片，具有很高的透明度。

高質量的石墨烯薄膜由高取向的石墨烯疇組成。5 mm × 5 mm 石墨烯/藍寶石上 LEED 測量位置示意圖。電子束的直徑約爲 1 毫米。(乙到丁)代表性的假彩色 LEED 圖案的生長石墨烯/藍寶石在 70 eV 。（ E ） TEM 圖像上的石墨烯薄膜的邊緣。（ f ）作爲生長石墨烯的典型 SAED 模式。插圖顯示了沿黃色虛線衍射圖案的強度分佈，表明石墨烯的單層特徵。（ g ）從 10 μ m × 10 μ M 隨機抽取的 SAED 模式角分佈直方圖。（ h ）生長石墨烯的原子分辨掃描 TEM 圖像。（我到 K ）三張有代表性的掃描隧道顯微鏡（ STM ）圖像顯示藍寶石上生長的石墨烯沿 2 μ m 不同區域的生長，間隔爲 1 μ m 。典型的幹/藍寶石上生長石墨烯的 dv 光譜。貸：科學進展，10.1126/ sci adv . abk0115

表徵藍寶石芯片上石墨烯薄膜

用掃描電子顯微鏡(掃描電鏡)，陳等。注意到單層石墨烯在全覆蓋下的均勻對比，沒有任何空隙。用拉曼光譜在藍寶石上產生的石墨烯，他們確定了表明高質量單層石墨烯的拉曼信號，並確認其在芯片尺度上的均勻性。光學顯微鏡結果同樣顯示了均勻的光學對比度沒有任何污染或可見的二次層。用原子力顯微鏡之後，他們進一步鑑定了 CVD 生長的單層石墨烯（化學氣相沉積）方法。進一步分析與透射電子顯微鏡透射電鏡（ TEM ）無污染，均勻性好。該實驗裝置允許單層石墨烯的生長在氣相中的大碳團簇的情況下，並存在個別碳到達石墨烯的表面，以快速遷移到石墨烯的邊緣。為了暸解藍寶石上生長的石墨烯單層的晶格取向，該團隊進行了低能電子衍射表徵，並揭示了硅片尺寸石墨烯的高度取向性質。為了進一步核實材料的結構信息，他們進行了選區電子衍射測量，並注意到使用原子分辨 TEM 圖像的石墨烯的蜂窩晶格結構。實驗裝置使原子核達到最穩定的取向。

生長的高取向石墨烯的電學性質（ A ）2 英寸石墨烯/藍寶石硅片薄片電阻圖。（ b ）在這項工作中，直接覆蓋在藍寶石上的石墨烯與先前報道的在銅、鎳和玻璃襯底上生長的原始石墨烯和摻雜石墨烯的片電阻與光傳輸（ 550 nm ）的比較。（ c ）石墨烯的電阻對頂柵電壓的影響，遷移率的非線性擬合爲～ 14 , 700V - 1s - 1 平方釐米（ T = 4K ）插圖顯示的是h-BN頂柵石墨烯霍爾柵器件。刻度條， 2 微米（插頁）。（ d ）室溫下在藍寶石上生長的石墨烯薄膜的太赫茲大尺寸遷移率映射。貸：科學進展，10.1126/ sci adv . abk0115

進一步試驗

陳等。接下來進行掃描隧道顯微鏡（ STM ）探測石墨烯結構域的縫合狀態。STM 圖像顯示蜂窩晶格，也沒有任何缺陷。原子分辨圖像進一步突出了具有小晶界的連續薄膜的存在。這項工作也證實了成功攀登藍寶石台階是由藍寶石的碳熱還原.V 形的密度狀態以及單層石墨烯的特徵 Dirac 錐形特徵與蜂窩結構相一致，從而重新建立高取向的石墨烯薄膜的高質量和純度。接下來，科學家們進行了宏觀的四探針傳輸測量，以評估大規模的電導率作爲生長優質石墨烯在藍寶石芯片上他們注意到一張 2 英寸石墨烯/藍寶石硅片的片狀電阻圖，平均值低至 587 ± 40 歐姆。結果是顯着優於石墨烯直接在玻璃襯底上生長.研究小組隨後測量了藍寶石上石墨烯的場效應遷移率，並記錄了其載流子密度。的值也顯着高於觀察到的石墨烯直接生長在介質基板這些結果在電子和光電子應用領域具有前景。

觀點

通過這種方式， Chen Zhao long 和同事開發了一種利用電磁感應加熱 CVD 路線在藍寶石上直接生長晶圓級、連續、高取向單層石墨烯薄膜的方法。該合成方法促進快速升溫到 1400 攝氏度在 10 分鐘內有效熱解的碳原料，使活性物種的快速遷移。這種高效可靠的高質量單層石墨烯合成路線就sapphire晶圓與半導體工藝兼容，最終可以促進高性能石墨烯電子學和產業化。

更多信息： 在藍寶石上直接生長晶圓級高取向石墨烯，科學進展 (2021). DOI： 10.1126/sciadv.abk0115

Yan qing Wu 等，在類金剛石碳上的高頻、縮放石墨烯晶體管，自然 (2011). 投資指導：10.1038/ na tu re 09979