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石墨烯晶体在铜覆盖下生长,其性能更优异、结晶度更高

Paris Li

如果能在大规模电绝缘载体上生产单晶石墨烯片,这将有助于开发下一代基于纳米材料的设备,例如非常轻薄的触摸屏、可穿戴电子设备和太阳能电池。

大多数基于石墨烯的电子设备都需要绝缘支撑。然而,工业用途的高质量石墨烯薄膜通常是在金属基板(例如铜箔)上生长,然后再转移到绝缘支架上用于器件制造。此转移步骤可能会引入影响设备性能的杂质。因此,如果能在绝缘支撑上生长石墨烯,这样能更多地生产出高质量单晶。

研究人员表示,如果石墨烯可以在干净界面的绝缘基板上生长,某些设备可能可以更好地工作。

研究人员调整了化学气相沉积方法,该方法依赖于铜催化的甲烷分解成碳前体,在称为c平面的晶圆级单晶衬底上生成光滑的单晶石墨烯单层蓝宝石。

研究人员将多晶铜箔转化为蓝宝石表面上的单晶铜箔Cu(111),并从金属基材中引入活性碳原子,从而在所得薄膜上催化甲烷分解。碳原子通过金属膜向充当模板的铜-蓝宝石界面扩散,并形成取向良好的“石墨烯岛”,经过几个生长周期后,这些石墨烯岛合并形成薄片。

研究人员使用氢-氩等离子体蚀刻掉堆积在铜膜顶部的任何石墨烯,以促进碳扩散。他们将样品浸入液氮中,然后将其快速加热至500摄氏度,使铜膜易于剥离,同时保持石墨烯单层完整。

这样,在蓝宝石生长的单晶石墨烯单层上制造的场效应晶体管表现出优异的性能和更高的载流子迁移率。研究人员解释,在蓝宝石上生长的石墨烯具有优异的电子性能,这是由于其较高的结晶度和较少的表面褶皱。

下一步,团队正试图在绝缘体支撑的石墨烯上生长其他二维材料,以构建功能化的大规模异质结构。

题为Wafer-scale single-crystal monolayer graphene grown on sapphire substrate的相关研究论文发表在《自然-材料》上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文:

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01174-1


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