半导体和绝缘基底上直接CVD生长石墨烯:无转移实现高质量石墨烯的应用

AM yugui由于在光学,电学,力学等多方面的优异性质,石墨烯被认为在电子学、光电子学领域具有非常有前景的应用价值。为了实现这一目标,制备大面积高质量的石墨烯是亟待解决的重大科学问题之一。在制备石墨烯的方法中,机械剥离法虽然能制备高质量石墨烯但所得到的尺寸非常有限;化学还原法可以大规模制备石墨烯但会大大降低石墨烯的导电性而达不到应用要求;而在SiC基底上外延生长石墨烯需要超高的温度远超过了当前的工业极限。由于具有可控性、大面积以及高质量的优点,化学气相沉积(CVD)法成为石墨烯制备的最重要方法之一。其中,直接在半导体以及绝缘基底上生长石墨烯不需要转移就可以制备器件,避免了石墨烯在转移过程中造成的污染以及质量下降,因而是一种实现高质量石墨烯在电子学以及光电子学领域应用的最有潜力的方式。

近几年来,中国科学院化学研究所于贵研究员课题组在石墨烯的化学气相沉积制备以及性能研究方面取得了一系列的原创性成果,通过对生长过程的研究实现了对石墨烯的不同形貌以及刻蚀机制的有效调控,受到了国内外同行的广泛关注。并撰写了题为“Direct CVD Graphene Growth on Semiconductors and Dielectrics for Transfer-Free Device Fabrication”的综述论文,系统总结了近些年在半导体以及绝缘基底上直接生长石墨烯的研究进展。首先,通过说明石墨烯从金属到目标基底的转移过程中会造成的破损、污染、褶皱等问题论述了石墨烯在半导体以及绝缘基底上直接生长的重要性,并分析了无金属催化石墨烯生长的机理。随后重点介绍了石墨烯在半导体以及绝缘基底上直接生长的三种策略:无催化剂直接生长-不借助任何催化剂,通过对碳源、温度、动力学等的调控在半导体以及绝缘基底上直接实现生长;金属辅助生长-使用金属牺牲剂或者远程金属催化在半导体以及绝缘基底上实现生长;等离子体辅助生长-生长过程中通过等离子设备在反应气氛中形成一系列活性碳物种来降低反应所需要的活化能从而促进生长。通过这些方法,可以在半导体和绝缘基底上制备不同结构石墨烯材料,如石墨烯单晶、石墨烯单层膜、双层石墨烯、氮掺杂石墨烯以及石墨烯纳米带等。此外,对近年来石墨烯在其他新兴半导体和绝缘基底如二维材料六角氮化硼(h-BN)以及高介电系数绝缘基底等上的生长也做了简要介绍。最后,通过介绍直接生长的石墨烯在电子学以及能量储存与转化等领域的高性能应用论证了其相比于金属基底上生长的优势。相关论文在线发表于Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201505123)上。