作者:Phys Thamarasee Jeewandara
（同organic）有机 Al2O3 (0001)衬底上石墨烯畴排列的机理
(一)自制感应加热化学气相沉积反应器示意图，蓝宝石衬底直接放置在石墨载体上，石墨载体周围有感应线圈
感应加热冷壁化学气相沉积系统的模拟温度分布(1400℃，2000帕)(乙)和相对于石墨载体距离的相应温度分布(丙)
(D)吸附在蓝宝石(0001)衬底上的石墨烯簇C24H12的两种构型，旋转角度为30°
C1和C2表示表面低铝原子顶部的碳原子
石墨烯和蓝宝石(0001)的晶格矢量分别标记为绿色和蓝色箭头
(五)不同旋转角度下Al2O3 (0001)衬底上石墨烯团簇C24H12相对能量的第一性原理计算
空心圆和正方形对应于0°、30°和60°的无约束构型
信用:科学进展，10
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abk0115 研究人员已经使用直接化学气相沉积(CVD)在电介质上生长晶片级高质量石墨烯，用于多种用途
然而，以这种方式合成的石墨烯显示出具有不受控制的缺陷、低载流子迁移率和高街道电阻的多晶膜；因此，研究人员旨在引入新的方法来开发晶圆级石墨烯
在科学进展发表的一份新报告中，陈兆龙和一个国际研究团队在中国进行纳米化学、智能材料和物理研究
K
和新加坡描述了在蓝宝石晶片薄膜上直接生长高度定向单层石墨烯
他们通过在高温下设计一种电磁感应化学气相沉积来实现生长策略
以这种方式形成的石墨烯薄膜显示出显著提高的载流子迁移率和降低的薄层电阻
石墨烯在材料上的发展及应用
石墨烯具有良好的机械强度、高载流子迁移率、增加的光学透明度，并有望用于高频应用以及透明导电电极
石墨烯的狄拉克电子的线性色散也可以允许目标器件包括光电探测器和光学调制器
大多数此类应用依赖于使用单晶、晶片级石墨烯，没有污染或破损
虽然以前很容易生产出晶片级的高迁移率石墨烯，但整个晶片的层数均匀性仍然不令人满意
因此，研究人员试图通过使用传统的化学气相沉积技术来促进氧化硅、六方氮化硼(hBN)和玻璃上石墨烯的直接合成
在这项工作中，陈等人
介绍了通过基于电磁感应加热的化学气相沉积方法在蓝宝石上直接生长晶片级连续、高度取向的单层石墨烯薄膜
这种在蓝宝石晶片上直接生长高度定向石墨烯薄膜的方法为新兴的石墨烯电子学和光子学铺平了道路
电磁感应加热化学气相沉积法在蓝宝石晶片上直接生长单层石墨烯薄膜
(一)生长中的2英寸石墨烯/蓝宝石晶片的典型照片
图片来源:北京大学陈兆龙
(二)蓝宝石上生长石墨烯的典型扫描电镜图像
插图显示了石墨烯的高倍扫描电镜图像
(三)从(一)中标记的代表性位置测量的生长石墨烯的拉曼光谱
ARBITRAGEUR的简称
单位，任意单位
蓝宝石上生长石墨烯薄膜的拉曼I2D/IG图谱
转移到二氧化硅/硅衬底上后生长的石墨烯的光学显微镜图像
转移到二氧化硅/硅衬底上后生长石墨烯的原子力显微镜高度图像
蓝宝石上生长的石墨烯的高分辨率截面透射电子显微镜图像
信用:科学进展，10
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abk0115 实验:蓝宝石上的石墨烯 在实验过程中，陈等人
使用电磁感应加热作为化学气相沉积(CVD)系统的热源，以在高质量石墨烯的生长过程中扩展生长参数空间
该反应堆能够在10分钟内快速升温至1400摄氏度
该工艺允许精确调节用于单层石墨烯均匀生长的活性炭供应
为了理解蓝宝石在石墨烯形成过程中的作用，该团队进行了密度泛函理论(DFT)计算，以揭示蓝宝石上石墨烯畴的优选取向
为了实现这一点，他们模拟了一个小石墨烯团簇(C24H12)在氧化铝板上的吸附
该模型显示了在界面耦合引导生长机制之后，在蓝宝石上生长晶片级高度取向石墨烯的可能性
生长期间升高的温度有利于甲烷的充分热解和蓝宝石上吸附的活性炭的有效迁移，以促进生长速率和晶体质量
连续的石墨烯薄膜在30分钟内以高透明度覆盖了2英寸蓝宝石晶片
由高度取向的石墨烯畴组成的高质量石墨烯膜
(一)5毫米乘5毫米石墨烯/蓝宝石上LEED测量位置示意图
电子束的直径约为1毫米
(二至四)在70电子伏下生长的石墨烯/蓝宝石的典型假彩色LEED图案
(五)石墨烯薄膜边缘的透射电镜图像
(六)生长石墨烯的典型SAED模式
插图显示了沿黄色虚线的衍射图案的强度分布，表明石墨烯的单层特征
(G)由10个微米从10个微米随机抽取的SAED图案的角度分布直方图
生长石墨烯的原子级分辨扫描透射电镜图像
(1至K)蓝宝石上生长的石墨烯的三个代表性扫描隧道显微镜(STM)图像，沿2微米的不同区域，间隔1微米
(1)蓝宝石上生长的石墨烯的典型dI/dV光谱
信用:科学进展，10
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abk0115 表征蓝宝石晶片上的石墨烯薄膜 利用扫描电子显微镜，陈等
注意到单层石墨烯在完全覆盖下的均匀对比，没有任何空隙
使用蓝宝石上生产的石墨烯的拉曼光谱，他们识别出指示高质量单层石墨烯的拉曼信号，并确认其在整个晶片尺度上的均匀性
光学显微镜结果类似地显示了均匀的光学对比度，没有任何污染或可见的第二层
利用原子力显微镜，他们进一步确定了通过化学气相沉积法生长的单层石墨烯的特征
用透射电子显微镜(TEM)进行的进一步分析显示了高均匀性而没有污染
该实验装置允许单层石墨烯在气相中没有大的碳簇的情况下生长，并且到达石墨烯表面的单个碳的存在使其快速迁移到石墨烯的边缘
为了理解蓝宝石上生长的单层石墨烯的晶格取向，该团队进行了低能电子衍射表征，并揭示了晶片大小的石墨烯的高度取向性质
为了进一步验证材料的结构信息，他们进行了选定区域的电子衍射测量，并使用原子分辨的透射电镜图像记录了石墨烯的蜂窝状晶格结构
实验装置允许原子核达到最稳定的方向
生长的高取向石墨烯的电学性质
(一)2英寸石墨烯/蓝宝石晶片的薄层电阻图
(二)本研究中直接在蓝宝石上生长石墨烯的薄层电阻与光透射率(550纳米)的比较，与先前报道的在铜、镍和玻璃衬底上生长的原始石墨烯和掺杂石墨烯的比较
(3)石墨烯电阻与顶栅电压的关系，迁移率的非线性拟合约为14，700 cm2·V-1s-1(T = 4k)
插图显示了氢氮化硼顶栅石墨烯霍尔棒器件的光学显微镜图像
比例尺，2微米(插图)
(四)室温下生长在蓝宝石上的石墨烯薄膜的太赫兹大尺寸迁移率谱
信用:科学进展，10
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abk0115 进一步的实验 陈等
接下来进行扫描隧道显微镜(STM)来探测石墨烯区域的缝合状态
扫描隧道显微镜图像也显示了一个蜂窝状网格，排列整齐，没有任何缺陷
原子分辨图像进一步突出了具有小颗粒边界的连续薄膜的存在
这项工作也证实了蓝宝石碳热还原导致蓝宝石台阶的成功爬升
单层石墨烯特有的狄拉克锥形特征旁边的V形密度状态与蜂窝结构相一致，以重新建立如此生长的石墨烯的高取向膜的高质量和纯度
接下来，科学家们进行了宏观四探针传输测量，以评估蓝宝石晶片上生长的高质量石墨烯的大规模电导率
他们注意到一张2英寸石墨烯/蓝宝石晶片的薄层电阻图，平均值低至587±40欧姆
与直接生长在玻璃衬底上的石墨烯相比，结果明显更好
该团队随后测量了蓝宝石上石墨烯的场效应迁移率，并记录了其载流子密度
该值也明显高于直接生长在电介质基底和金属上的石墨烯所观察到的值
这一成果在电子和光电子应用领域大有可为
观点 通过这种方式，陈兆龙和他的同事开发了一种利用电磁感应加热CVD路线在蓝宝石上直接生长晶片级、连续、高度取向的单层石墨烯薄膜的方法
该合成方法有助于在10分钟内快速升温至1400摄氏度，以有效热解碳原料，从而实现活性物质的快速迁移
这种高效、可靠的蓝宝石晶片上高质量单层石墨烯的合成路线与半导体工艺兼容，能够极大地促进高性能石墨烯的电子和产业化
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