KAUST 張西祥團隊 Nature Materials：晶圓尺寸單晶單層石墨烯

【背景介紹】

石墨烯（graphene）作為一種創始性的二維納米材料，自從被發現以來就引起了科研界的極大興趣。化學氣相沉積（CVD）是一種目前廣泛使用的生長高質量大規模石墨烯的生長合成方法，包含了甲烷在銅襯底下催化裂解并自限制生長的機理。目前，石墨烯薄膜在銅箔上的生長已經非常成熟，并且實現了高質量CVD石墨烯的工業化生產。最近相關工作報道了大規模單晶Cu(111)箔的生產制備，這有利于合成無多層的大尺寸單層石墨烯，但是褶皺還是會被觀察到。利用添加鎳（Ni）并制備大面積的Cu-Ni(111)單晶金屬箔，從而生長出無褶皺、無多層、大面積單晶石墨烯。然而，在絕緣基底上，雖然目前通過氧輔助生長、銅蒸汽輔助生長、以及利用超高溫等方法已成功生長出高質量多晶石墨烯薄膜，但是單晶單層石墨烯在絕緣基底上的生長仍有待探索。此外，在絕緣基底上生長大面積高質量石墨烯是其電子器件和光電器件應用的理想選擇，但由于缺乏金屬催化，目前仍然具有挑戰性。

【成果簡介】

近日，阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）張西祥教授（通訊作者）和李俊竺博士生（第一作者）等人報道了一種通過循環等離子體刻蝕輔助-化學氣相沉積（MPE-CVD）方法，在絕緣Al₂O₃(0001)晶片上生長尺寸無多層單晶石墨烯。首先，通過利用購買的多晶銅箔（25 μm厚），通過特定條件下長時間退火處理，在Al₂O₃(0001)上制備晶圓尺寸單晶Cu(111)薄膜。然后，甲烷在銅表面催化裂解形成碳原子，而這些碳原子通過Cu(111)薄膜擴散到Cu(111)-Al₂O₃(0001)界面，從而在Cu(111) -Al₂O₃(0001)界面處生長出單晶石墨烯。生長過后，通過液氮浸泡并迅速加熱，Cu(111)薄膜易于剝離，石墨烯薄膜仍然粘附在Al₂O₃(0001)基底上。此外，制備了基于石墨烯的場效應晶體管，并發現該材料具備很好的電學性能。該工作突破了在絕緣基底上合成大面積單晶石墨烯的瓶頸，為下一代基于高質量石墨烯的納米器件的研究和發展提供參考。研究成果以題為“Wafer-scale single-crystal monolayer graphene grown on sapphire substrate”發布在國際著名期刊Nature Materials上。

本文所有圖來源于?2022 Springer Nature Limited

【圖文解讀】

圖一、在Al₂O₃(0001)上形成的晶圓尺寸單晶Cu(111)薄膜
（a）Al₂O₃(0001)表面上Cu(110)、Cu(100)和Cu(111)的能量示意圖；

（b）多晶銅箔變轉變為單晶Cu(111)薄膜的過程示意圖；

（c）不同褪火時間（5-25 h）的銅箔樣品照片；

（d）2英寸單晶Cu(111)薄膜的光學顯微照片；

（e）不同區域的IPF圖；

（f）不同區域的XRD譜圖；

（g）Cu(111)-Al₂O₃(0001)截面HR-TEM圖像。

圖二、Cu(111)-Al₂O₃(0001)界面上生長的單晶石墨烯
（a）在MPE-CVD生長過程階段示意圖；

（b）Al₂O₃(0001)上石墨烯島的光學顯微照片；

（c）石墨烯島的I_D/I_G的拉曼圖；

（d）石墨烯島的2D FWHM拉曼圖；

（e）代表性的拉曼光譜圖（去除Cu熒光背景后）：生長在Cu薄膜上表面的石墨烯、生長在Cu(111)-Al₂O₃(0001)界面處的石墨烯，后轉移到Al₂O₃(0001)和SiO₂/Si基底的石墨烯；

（f）（e）中提到的四種石墨烯的2D峰移；

（g）（e）中提到的四種石墨烯的2D FWHM和I_D/I_G比。

圖三、在Al₂O₃(0001)上合成晶圓尺寸單晶石墨烯薄膜
（a）石墨烯-Al₂O₃(0001)晶片的照片以及紫外-可見透射光譜；

（b）100×100陣列點采集的I_D/I_G和2D FWHM的拉曼信號，在Al₂O₃上生長的石墨烯和在Cu(111)薄膜上表面生長并轉移到Al₂O₃上的石墨烯的表面粗糙度；

（c）界面處生長的石墨烯的光學圖像和2D FWHM拉曼圖；

（d）轉移到SiO₂/Si上的石墨烯的光學圖像和2D FWHM拉曼圖；

（e）界面處生長的石墨烯的SEM圖像；

（f）轉移到SiO2/Si上的石墨烯的SEM圖像；

（g）界面處生長的和轉移到SiO₂/Si上的石墨烯的AFM圖像；

（h）界面處生長的石墨烯的HR-TEM圖像。

圖四、DFT模擬和碳擴散模型
（a）弛豫后Cu原子在Al₂O₃(0001)上的原子模型；

（b）Cu(100)、Cu(110)和Cu(111)在Al₂O₃(0001)上的堆積能；

（c）碳原子擴散通過Cu(111)薄膜示意圖；

（d）Cu(111)-石墨烯、Al₂O₃(0001)-石墨烯，和Cu(111)-石墨烯-Al₂O₃(0001)模型以及碳原子結合能；

（e）由Cu(111)、石墨烯和Al₂O₃(0001)形成的疊加層結構示意圖，顯示出層間莫爾圖案。

圖五、GFETs的電子傳輸特性
（a）制備GFETs的示意圖；

（b）由Al₂O₃(0001)-Cu(111)界面生長的石墨烯、Cu表面生長的石墨烯GFETs的光學圖像；

（c）基于Al₂O₃(0001)-Cu(111)界面生長的石墨烯制備的GFETs的典型I_SD與V_G-V_D曲線；

（d）不同類型GFETs的電子和空穴遷移率。

【小結】

綜上所述，通過碳原子從Cu(111)表面擴散到Cu(111)-Al₂O₃(0001)界面，生長合成石墨烯。作者提出并使用了一種方法（浸入液氮冷卻，然后迅速加熱），使Cu(111)薄膜易于剝離，石墨烯保留在Al₂O₃(0001)上。這種在這種界面處生長石墨烯的新方法可以啟發晶圓尺寸單晶雙層石墨烯或其他單晶二維材料的生長研究。

張西祥教授簡介

張西祥，現為沙特阿卜杜拉國王科技大學（KASUT）教授，于1992年在西班牙巴塞羅那大學取得博士學位，從1997年到2009年先后擔任香港科技大學助理教授、副教授和教授。曾獲國家自然科學二等獎，國家杰出青年基金資助，是美國物理學會會員。目前的研究興趣主要集中在自旋電子學（spintronic）、斯格明子(skyrmion)、鐵電材料、以及二維納米材料體等材料物理領域。已經發表學術論文500多篇，包括以通訊作者身份發表的Nature Materials, Nature Communications, PRL, Advanced Materials等。被引用32000多次，H因子為87 （谷歌學術統計）。

田博博士生簡介

田博，現為沙特阿卜杜拉國王科技大學（KASUT）在讀博士，于2015年本科畢業于廈門大學物理系（導師：蔡偉偉），于2018年加入KAUST低維納米材料研究實驗室（導師：張西祥）。目前的研究興趣主要集中在石墨烯，六方氮化硼，TMDs，范德華異質結構等二維材料生長及器件應用。以第一作者和通訊作者身份發表論文在Nature Materials, Advanced Materials, Nano Letters 等。

李俊竺博士生簡介

李俊竺，現為沙特阿卜杜拉國王科技大學（KASUT）在讀博士，于2017年本科畢業于廈門大學物理系，于2019年加入KAUST張西祥教授研究團隊。目前的研究興趣主要集中石墨烯、hBN等二維材料化學氣相沉積生長，材料改性及應用。在國際期刊Nature Materials, Advanced Materials, APL Materials, Carbon等發表多篇研究論文。

文獻鏈接：Wafer-scale single-crystal monolayer graphene grown on sapphire substrate. Nature Materials, 2022, DOI: 10.1038/s41563-021-01174-1.

本文由CQR編譯。

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