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絕緣基底上可控制備單層石墨烯薄膜研究取得進展

化學氣相沉積(CVD)是生長大面積高質量石墨烯的有效方法之一。在石墨烯的CVD生長過程中,需要使用金屬催化劑,石墨烯需要轉移才能構築電學器件,與當前的半導體加工工藝不兼容,同時轉移會造成石墨烯的褶皺、破損和降低其電學性能。如能在絕緣襯底上實現石墨烯的無金屬催化生長,那就不需要轉移可直接構築電學器件。但是,不同于多數金屬基底上的自限制生長方式,石墨烯在絕緣基底上的CVD生長常常會伴随有生長速度慢與重複成核等缺點,因而會形成均勻性差并具有不确定層數的石墨烯膜。因此,在絕緣基底上直接制備大面積均勻單層石墨烯薄膜,對其實現與半導體行業對接和加速石墨烯工業化應用進程具有深遠影響。

在國家自然科學基金委和中國科學院先導項目的支持下,中科院化學研究所有機固體重點實驗室于貴課題組長期緻力于CVD可控制備石墨烯研究,并取得了系列進展(Adv. Mater. 2015, 27, 2821-2837; Adv. Mater. 2015, 27, 4195-4199; Adv. Mater. 2016, 28, 4956-4975; Adv. Mater. Interfaces 2016, 3, 1600347; J. Mater. Chem. C 2016, 4, 7464-7471; Mater. Horiz. 2016, 3, 568; Chem. Mater. 2017, 29, 1022-1027; Nat. Commun. 2017, 8, 14029; Carbon 2017, 121, 1-9; Adv. Mater. Interfaces 2018, 5, 1800347; Angew. Chem. Int. Ed.  2018, 57, 192-197; Mater. Horiz. 2018, 5, 1021-1034; Chem. Mater. 2019, 31, 1231; Adv. Mater. Technol. 2019, 4, 1800572; Diamond Relat. Mater. 2019, 91, 112-118; Small Methods 2019, 31, 2507)。

近日,研究人員采用了一種新的前驅體調控策略成功地抑制了石墨烯的二次成核,從而在絕緣基底上直接生長出大面積高質量的均勻單層石墨烯薄膜。通過對石墨烯生長機理的研究得知,二氧化矽襯底表面的羟基化弱化了石墨烯邊緣與襯底之間的結合,進而實現了初級成核主導的石墨烯生長。場效應晶體管(FET)器件測試結果顯示出制備的均勻單層石墨烯膜具有優異的電學性能,遷移率最高達到3800 cm2 V-1 s-1,是目前絕緣基底上生長的石墨烯薄膜器件的性能最高值。這種無需任何複雜的轉移過程,簡便可控在絕緣基底上制備高質量石墨烯薄膜的方法,使石墨烯在集成電子和光電子領域中的應用又邁進了一步。該工作中,研究人員與清華大學工程力學系教授徐志平課題組在石墨烯生長機理方面開展了密切的合作研究,相關研究成果發表于《美國化學會志》上(J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 11004-11008)

石墨烯薄膜生長示意圖及其場效應晶體管性能表征

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