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實現石墨烯在絕緣襯底上的晶圓級、均勻、直接製備對石墨烯材料在電子和光電子器件領域的應用發展十分重要。然而，與在金屬催化襯底上石墨烯的二維生長模式不同，在無催化特性的絕緣襯底上，石墨烯遵循一種島狀生長模式，最終獲得的石墨烯疇區尺寸小，多層區域占比大，嚴重影響其後續的電子器件加工應用。


北京大學劉忠范院士團隊在《Advanced Materials》期刊上發表了題為「Transfer-Free Quasi-Suspended Graphene Grown on a Si Wafer」的文章（DOI:10.1002/adma.202206389），提出通過界面去耦合策略實現硅晶圓襯底上准懸浮石墨烯的無金屬催化直接化學氣相沉積生長。這一策略的核心是通過降低氫氣的通入量，同時引入甲醇助劑，有效調控生長襯底與石墨烯間的界面相互作用，最終實現了以單層為主的晶圓級均勻石墨烯薄膜的直接製備。在傳統的多氫（H-rich）生長過程中，氫氣在高溫下裂解會對硅襯底表面產生明顯的刻蝕作用，導致硅懸掛鍵的形成，硅懸掛鍵能夠捕獲高溫裂解的碳碎片，抑制碳源在襯底表面的遷移拼接，最終導致多層石墨烯的生長。因此，課題組提出了少氫（H-poor）生長策略，通過降低氫氣流量，同時引入甲醇助劑，能夠有效抑制硅懸掛鍵的產生，進而促進碳碎片在襯底表面的遷移，最終實現均勻單層石墨烯的製備。進一步將直接製備獲得的4英寸石墨烯/硅晶圓樣品用於FET器件製備，器件遷移率最高可達15000 cm2V‒1s‒1，有望推動後續石墨烯基電子學器件的製備和應用。


圖1. 實驗設計的不同氫氣流量下，石墨烯在SiO2/Si絕緣襯底上的生長過程示意圖對比。


圖2.在多氫和少氫兩種生長策略下獲得的石墨烯性能表徵結果對比


圖3. 4英寸石墨烯/硅晶圓樣品的晶圓級性能表徵，從光學、面電阻、拉曼等一系列表徵結果可以看出製備的樣品具有較高的結晶質量和晶圓級的均勻性


圖4.分子動力學模擬和相關密度泛函理論計算


圖5. 基於4英寸石墨烯/硅晶圓樣品的電子學器件性能測試

原文鏈接

https://doi.org/10.1002/adma.202206389

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