【原】北京大学刘忠范院士团队--晶圆尺寸准单晶石墨烯薄膜的直接生长

  直接化学气相沉积(CVD)在介质上生长晶圆尺寸的高质量石墨烯对于广泛应用具有至关重要的意义。然而，合成的石墨烯通常是一种具有高密度不可控缺陷的多晶薄膜，导致了低载流子迁移率和高片阻。本文报道了高定向单层石墨烯薄膜在蓝宝石晶片上的直接生长。我们的生长策略是通过设计一个在高温下运行的电磁感应加热CVD，在那里很容易克服高热解和碳物种迁移障碍。同时，通过最小化其构型能量，将胚胎石墨烯畴引导成良好的排列。因此，在 30 分钟内就可以获得晶圆级高质量单层石墨烯，它具有较高的载流子迁移率（~14,700 cm² V^-1 s^-1）和较低的方块电阻（~587 Ω/□），与多晶金属箔上的催化生长和碳化硅上的外延生长相比，这两种生长方式更有利。

图1. 蓝宝石(0001)面对石墨烯的取向诱导作用机制。(A) 感应加热石墨烯甚高温生长设备示意图；(B, C) 反应腔室温度模拟分布；(D) 石墨烯纳米岛在Al₂O₃ (0001) 面上的最优构象；(E) 不同旋转角度下石墨烯纳米岛与Al₂O₃ (0001)的相对能量。

图2. 晶圆尺寸单层石墨烯的表征。(A) 石墨烯/蓝宝石晶圆的实物照片；(B) 石墨烯薄膜的典型 SEM 图像；(C) 石墨烯薄膜的拉曼光谱；(D) 石墨烯薄膜的拉曼 I_2D/I_G mapping图；(E) 石墨烯在转移到 SiO₂/Si 衬底上的光学显微镜图；(F) 转移到 SiO₂/Si 衬底上石墨烯的原子力显微镜高度图；(G) 石墨烯/蓝宝石界面的透射电子显微镜图。

  图3. 晶圆尺寸单层石墨烯的取向表征。(A-D) 石墨烯/蓝宝石的低能电子衍射图案；(E-H) 石墨烯薄膜的透射电镜表征；(I-L) 石墨烯/蓝宝石扫描隧道显微镜图与扫描隧道谱。

图4. 该方法获得的石墨烯薄膜的电学表征。(A) 2 英寸石墨烯/蓝宝石晶圆的方块电阻图；(B) 本工作中直接生长石墨烯的薄层电阻与与文献报道生长结果的比较；(C) 石墨烯电阻对顶栅电压的影响，以及非线性拟合；(D) 蓝宝石上室温生长石墨烯薄膜的太赫兹大尺寸迁移率图。

   相关科研成果由北京大学刘忠范院士团队等人于2021年发表在Science Advances (DOI: 10.1126/sciadv.abk0115)上。原文：Direct growth of wafer-scale highly oriented graphene on sapphire。