化學(xué)氣相沉積制備毫米量級的單晶石墨烯

陳學(xué)康，郭磊，王蘭喜，曹生珠，白曉航

蘭州空間技術(shù)物理研究所, 表面工程技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000

　　摘要：石墨烯的發(fā)現(xiàn)，為開發(fā)基于新原理的納電子器件提供了材料和技術(shù)上的可能性。它是迄今為止最接近理想的二維材料, 其單原子層的厚度，完美的晶格結(jié)構(gòu)和超乎尋常的電子遷移率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般薄膜技術(shù)所能夠達(dá)到的水平。

　　石墨烯非常有可能成為今后納電子器件發(fā)展的基礎(chǔ)材料。然而可以預(yù)期的是，如同大尺寸的單晶硅成為微電子學(xué)的基礎(chǔ)材料一樣，石墨烯要真正走向技術(shù)應(yīng)用，也必須首先解決大尺寸單晶石墨烯的制備問題。

　　目前不同方法所制備的石墨烯一般由尺度在幾十微米以下的多晶組成。在銅基板上，大多數(shù)已報(bào)道的石墨烯平均晶粒尺寸約在10~30 mm，有報(bào)道的最大晶粒平均尺寸約為200 mm。任文才最近報(bào)道了在Pt 基板上生長的石墨烯單晶，個(gè)別晶粒達(dá)到了1.2 mm。復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，為了能夠生長大單晶，必須首先系統(tǒng)地研究石墨烯的成核機(jī)理和生長動力學(xué)。

　　本文報(bào)道我們最近生長大晶粒石墨烯的初步研究結(jié)果。在保證合理的生長速率的前提下，我們已經(jīng)能夠以良好的重復(fù)性在銅基板上得到極低的成核密度。這保證了相互分離的石墨烯二維單晶體的獨(dú)立生長。實(shí)驗(yàn)觀察到的石墨烯二維單晶體的最大尺度達(dá)到了~3 mm，平均尺度~2 mm，大致均勻分布于銅基板的表面。進(jìn)一步延長生長時(shí)間，相互分離的石墨烯單晶逐步接合，成為由毫米級尺度晶粒構(gòu)成的連續(xù)多晶石墨烯薄膜(在我們的實(shí)驗(yàn)中薄膜生長面積為40×40 mm，僅受限于基板尺寸)。Raman 測試結(jié)果表明所獲得的石墨烯為單層結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)移到SiO2/Si 基板上的單晶石墨烯的電子遷移率約在5000 cm2/v.s。