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美國加州理工學院物理系Nai-Chang Yeh課題組–等離子體增強化學氣相沉積法直接生長mm尺寸的雙絞線層石墨烯

等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術,現已被證明是一種無需主動加熱即可實現高質量單層石墨烯(MLG)一步合成的有效方法。本文報道了生長參數控制層間扭曲角的單晶六方雙層石墨烯(BLG)薄片和mm尺寸BLG薄膜的PECVD生長。扭轉角是由三種實驗方法确定的,包括直接用掃描電子顯微鏡測量兩個堆疊的單層膜之間的晶體邊緣的相對取向,分析扭轉角相關的拉曼光譜特性,以及用掃描隧道顯微鏡測量莫爾周期。在毫米大小的扭曲BLG (tBLG) 薄膜中,平均扭曲角可以控制在大約0°-20°之間,對于給定的生長條件,角展度可以限制為<7°。開爾文探針力顯微鏡和紫外光電子能譜驗證了MLG和BLG之間不同的功函數。基于小角度tBLG樣本的背栅場效應晶體管器件進行電學測量,顯示出300 K的高質量電特性和低至100 K的絕緣溫度依賴性。因此,tBLG的可控PECVD生長法為研究莫爾電位變化對tBLG的影響提供了一種有效的方法。

Fig. 1. (a)生長在Cu箔底部石墨烯的拉曼光譜。(b)生長在銅箔底部的MLG、BLG和tBLG的拉曼光譜。

Fig. 2. 用PECVD在Cu箔上生長的單晶MLG和BLG樣品的SEM圖。

Fig.3. (a)MLG, AB-BLG和tBLG的拉曼光譜。(b) tBLG樣品的拉曼光譜。(c-d) R和R’波段的扭曲角相關拉曼光譜特征。

Fig. 4.在MLG和BLG樣品上以不同的扭轉角拍攝的光學圖像和空間分辨拉曼圖。

Fig. 5. 大型MLG和BLG薄膜的光學圖像轉移到285 nm厚的SiO2/Si襯底上,并在相同的生長時間内以不同的(PCH4 / PH2)比生長:(a)大型MLG膜,(b)在大型MLG下具有較小覆蓋率的部分填充BLG膜,(c)在大型MLG下具有較高覆蓋率的部分填充的BLG膜以及(d)大型均勻BLG膜。

Fig. 6. (a)通過無聚合物轉移方法将大BLG膜的圖像轉移到285 nm厚的SiO2/Si襯底上。(b-c) 大型BLG膜的選定區域的OM圖像,其放大倍數(比例尺大小)分别為5×(200μm)和100×(10μm)。(d)在(b)中标記的十個不同點拍攝的拉曼光譜。

Fig. 7. 大型MLG和BLG膠片的光學圖像和空間分辨拉曼圖:(a)大型MLG膠片的光學圖像。(b-d)(a)中紅色虛線框表示為MLG區域的G波段強度,2D波段線寬和2D到G強度比的圖。(e)大型BLG膜的光學圖像。(f-h)(e)中紅色虛線框表示的BLG區域的G波段強度,2D波段線寬和2D到G強度比的映射。

Fig. 8. (a) KPFM繪制大型石墨烯薄膜的表面電位。(b)在MLG區域(綠色十字)和接近ab堆積的BLG區域(藍色實心圓)上進行的拉曼點光譜。(c)沿(a)中的紅線測得的功函數的空間演變。(d)對MLG和BLG薄膜的功函數進行UPS測量,分别得到4.65 eV和4.72 eV的值。

Fig. 9. BLG樣品的電遷移測量:(a)主闆:基于BLG樣品的兩端背栅FET器件的光學顯微照片。(b)單晶BLG(黑色正方形)和大型BLG膜(紅色圓圈)的電導率與栅極電壓 (σ-vs.-Vg)曲線。(c)單晶BLG(黑色正方形)和大型BLG膜(紅色圓圈)的電阻率與栅極電壓(ρ-vs.-Vg)曲線。(d)單晶BLG(黑色正方形)和大型BLG膜(紅色圓圈)的載流子遷移率。

Fig. 10. 在100 K至300 K的各種恒定溫度下,基于AB堆疊的BLG單晶的背栅FET器件的電導率σ與載流子密度n = Cox/e (V−VCNP)的函數。

        相關研究成果于2019年由美國加州理工學院物理系Nai-Chang Yeh課題組,發表在Carbon (https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.09.052 )上。原文:Direct growth of mm-size twisted bilayer graphene by plasma-enhanced chemical vapor deposition

本文來自石墨烯雜志,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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