化学气相沉积制备毫米量级的单晶石墨烯

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:陈学康

化学气相沉积制备毫米量级的单晶石墨烯

陈学康,郭磊,王兰喜,曹生珠,白晓航

兰州空间技术物理研究所, 表面工程技术国家级重点实验室, 甘肃 兰州 730000

  摘要:石墨烯的发现,为开发基于新原理的纳电子器件提供了材料和技术上的可能性。它是迄今为止最接近理想的二维材料, 其单原子层的厚度,完美的晶格结构和超乎寻常的电子迁移率,远远超过一般薄膜技术所能够达到的水平。

  石墨烯非常有可能成为今后纳电子器件发展的基础材料。然而可以预期的是,如同大尺寸的单晶硅成为微电子学的基础材料一样,石墨烯要真正走向技术应用,也必须首先解决大尺寸单晶石墨烯的制备问题。

  目前不同方法所制备的石墨烯一般由尺度在几十微米以下的多晶组成。在铜基板上,大多数已报道的石墨烯平均晶粒尺寸约在10~30 mm,有报道的最大晶粒平均尺寸约为200 mm。任文才最近报道了在Pt 基板上生长的石墨烯单晶,个别晶粒达到了1.2 mm。复杂的实验现象表明,为了能够生长大单晶,必须首先系统地研究石墨烯的成核机理和生长动力学。

  本文报道我们最近生长大晶粒石墨烯的初步研究结果。在保证合理的生长速率的前提下,我们已经能够以良好的重复性在铜基板上得到极低的成核密度。这保证了相互分离的石墨烯二维单晶体的独立生长。实验观察到的石墨烯二维单晶体的最大尺度达到了~3 mm,平均尺度~2 mm,大致均匀分布于铜基板的表面。进一步延长生长时间,相互分离的石墨烯单晶逐步接合,成为由毫米级尺度晶粒构成的连续多晶石墨烯薄膜(在我们的实验中薄膜生长面积为40×40 mm,仅受限于基板尺寸)。Raman 测试结果表明所获得的石墨烯为单层结构。转移到SiO2/Si 基板上的单晶石墨烯的电子迁移率约在5000 cm2/v.s。

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