第一作者：陳召龍
通訊作者：劉忠范，孫靖宇，Kostya S. Novoselov，高鵬，張艷鋒，楊身元
通訊單位:北京大學，北京石墨烯研究院，新加坡國立大學，中國科學院半導體研究所
研究背景
晶圓尺寸絕緣襯底上無破損、高品質石墨烯薄膜的獲得對于實現其在電學、光學與光電器件方面的應用至關重要。盡管過去十年在金屬襯底上高品質單晶石墨烯的可控制備方面取得了一些進展，但晶圓尺寸絕緣襯底上高品質石墨烯的直接生長依舊存在很大挑戰。表現為絕緣襯底催化活性較弱，碳源前驅體在其表面的的裂解勢壘與遷移勢壘很高，而且石墨烯島在絕緣襯底表面難以實現取向一致。這就使得石墨烯在絕緣襯底上的生長速度非常緩慢，而且獲得的石墨烯具有很高的點缺陷密度、大量的晶界和無定型碳污染，嚴重降低石墨烯載流子遷移率和電導率。因此，如何在絕緣襯底上快速生長出取向一致的石墨烯島，并增大單個晶疇尺寸，在晶圓尺寸內形成連續均勻的單層薄膜亟待解決。
成果簡介
近日，北京大學劉忠范院士團隊自主設計研發了電磁感應加熱石墨烯甚高溫生長設備，并借助此設備在 c 面藍寶石上直接生長出了由取向高度一致、大晶疇拼接而成的晶圓尺寸單層石墨烯薄膜。他們通過優化生長過程，使得在動力學和熱力學方面都有利于絕緣襯底上高質量石墨烯的生長：研發的石墨烯生長設備所提供的甚高溫生長環境克服了碳源較高的熱裂解勢壘和遷移勢壘，這保證了碳源的有效裂解和活性碳物種在表面的快速遷移；高溫還有助于石墨烯-Al2O3 (0001) 界面達到其最低能量構象，以實現石墨烯島的取向一致；與此同時特殊的冷壁設計，降低了氣相溫度，抑制了形成無定型碳和多層成核的副反應。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 cm2 V-1 s-1）和較低的方塊電阻（~587 Ω/□）。該成果以“Direct growth of wafer-scale highly-oriented graphene on sapphire”為題發表在Science Advances上。
要點1：藍寶石對石墨烯的取向誘導
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Al2O3 (0001) 面上的最優構象；(E) 不同旋轉角度下石墨烯納米島與Al2O3 (0001)的相對能量。
作者設計搭建了石墨烯甚高溫生長設備，它可以在短時間內升溫至1400℃，并且高溫可以被局域在生長襯底附近，氣相溫度很低。通過第一性原理計算發現，石墨烯與藍寶石之間存在優勢取向，當石墨烯相對于藍寶石旋轉30°時能量最低。在此，甚高溫設備所提供的高溫環境將有助于石墨烯在藍寶石表面達到最佳構象，實現取向高度一致。
要點2：晶圓尺寸準單晶石墨烯的表征
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 I2D/IG mapping圖；(E) 石墨烯在轉移到 SiO2/Si 襯底上的光學顯微鏡圖；(F) 轉移到 SiO2/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。
作者基于石墨烯的甚高溫生長設備實現了均勻、滿單層、高質量石墨烯薄膜的生長。在晶圓不同位置處所采集的拉曼光譜中幾乎一致，且沒有缺陷峰，證明所生長的晶圓尺寸石墨烯薄膜具有很好的均勻性和結晶性。光學顯微鏡、原子力顯微鏡、透射電鏡均證明石墨烯具有很好的單層特性。
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。
作者首先通過低能電子衍射在大尺寸范圍（毫米）內證明藍寶石襯底上生長的石墨烯薄膜是由取向高度一致的晶疇拼接而成；然后通過選區電子衍射在較小尺寸范圍內（百納米）證明石墨烯具有很高的結晶性和取向高度一致性；掃描隧道顯微鏡在微觀尺度（數納米）進一步證明石墨烯的取向是幾乎一致的。
要點3：石墨烯薄膜的電學表征
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) 石墨烯輸運特性曲線；(D) 太赫茲時域光譜技術的遷移率測量。
獲得的準單晶石墨烯薄膜在晶圓尺寸范圍內具有非常均勻的面電阻，而且數值較低，僅為~600 Ω/□。這一結果遠遠優于以往在絕緣襯底上的生長結果，甚至好于在多晶銅箔、鎳箔等催化襯底上的生長結果，接近于單晶銅襯底上的生長結果。通過電輸運表征，所生長的石墨烯遷移率在4 K下達14,700 cm2 V–1 s–1，室溫下為9,500 cm2 V–1 s–1。太赫茲時域光譜表征進一步表明當分辨率為250 μm時遷移率依舊高于6,000 cm2 V–1 s–1，且具有很好的均勻性。這是迄今為止，常規絕緣襯底上直接生長石墨烯的最好水平。
參考文獻:
Chen, Z., Xie, C., Wang, W. et al. Direct growth of wafer-scale highly-oriented graphene on sapphire. Sci. Adv. (2021).
DOI: 10.1126/sciadv.abk0115
https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abk0115
