化學氣相沉積制備毫米量級的單晶石墨烯

陳學康，郭磊，王蘭喜，曹生珠，白曉航

蘭州空間技術物理研究所, 表面工程技術國家級重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000

　　摘要：石墨烯的發現，為開發基于新原理的納電子器件提供了材料和技術上的可能性。它是迄今為止最接近理想的二維材料, 其單原子層的厚度，完美的晶格結構和超乎尋常的電子遷移率，遠遠超過一般薄膜技術所能夠達到的水平。

　　石墨烯非常有可能成為今后納電子器件發展的基礎材料。然而可以預期的是，如同大尺寸的單晶硅成為微電子學的基礎材料一樣，石墨烯要真正走向技術應用，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，大多數已報道的石墨烯平均晶粒尺寸約在10~30 mm，有報道的最大晶粒平均尺寸約為200 mm。任文才最近報道了在Pt 基板上生長的石墨烯單晶，個別晶粒達到了1.2 mm。復雜的實驗現象表明，為了能夠生長大單晶，必須首先系統地研究石墨烯的成核機理和生長動力學。

　　本文報道我們最近生長大晶粒石墨烯的初步研究結果。在保證合理的生長速率的前提下，我們已經能夠以良好的重復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立生長。實驗觀察到的石墨烯二維單晶體的最大尺度達到了~3 mm，平均尺度~2 mm，大致均勻分布于銅基板的表面。進一步延長生長時間，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成的連續多晶石墨烯薄膜(在我們的實驗中薄膜生長面積為40×40 mm，僅受限于基板尺寸)。Raman 測試結果表明所獲得的石墨烯為單層結構。轉移到SiO2/Si 基板上的單晶石墨烯的電子遷移率約在5000 cm2/v.s。