研究人员已经在电介质上使用直接化学气相沉积 (CVD) 生长晶圆级、高质量石墨烯，用于多种应用。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薄膜；因此，研究人员旨在引入新方法来开发晶圆级石墨烯。

在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中陈兆龙和中国、英国和新加坡的纳米化学、智能材料和物理国际研究团队描述了在蓝宝石晶片薄膜上直接生长高度取向的单层石墨烯。他们通过在高温下设计电磁感应 CVD 来实现生长策略。以这种方式开发的石墨烯薄膜显示出显着提高的载流子迁移率和降低的薄层电阻。

Al2O3 (0001) 衬底上石墨烯畴的排列机制。(A) 自制感应加热 CVD 反应器的示意图，其中蓝宝石衬底直接放置在由感应线圈包围的石墨载体上。(B 和 C) 感应加热冷壁 CVD 系统的模拟温度分布 (在 1400°C, 2000 Pa) (B) 和相应的温度分布与石墨载体的距离 (C)。(D) 吸附在旋转角为 30° 的蓝宝石 (0001) 衬底上的石墨烯簇 C24H12 的两种配置。C1和C2表示表面低Al原子顶部的C原子。石墨烯和蓝宝石 (0001) 的晶格向量分别标记为绿色和蓝色箭头。(E) 具有不同旋转角度的 Al2O3 (0001) 衬底上石墨烯簇 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° 处的无约束配置。图片来源：科学进展，10.1126/sciadv.abk0115

石墨烯在材料上的发展与应用

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。石墨烯狄拉克电子的线性色散也可以用于目标设备，包括光电探测器和光调制器。大多数此类应用依赖于使用无污染或破损的单晶、晶圆级石墨烯。虽然之前很容易生产出晶圆级、高迁移率的石墨烯，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促进在氧化硅、六方氮化硼(hBN) 和玻璃上直接合成石墨烯。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圆级连续、高度定向的单层石墨烯薄膜。这种在蓝宝石晶片上直接生长高度取向的石墨烯薄膜的方法为新兴的石墨烯电子和光子学铺平了道路。

通过电磁感应加热 CVD 在蓝宝石晶片上直接生长单层石墨烯薄膜。 (A) 生长的 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。(B) 蓝宝石上生长的石墨烯的典型 SEM 图像。插图显示了石墨烯的高倍放大 SEM 图像。(C) 从 (A) 中标记的代表性位置测量的生长石墨烯的拉曼光谱。套利。单位，任意单位。(D) 蓝宝石上生长的石墨烯薄膜的拉曼 I2D/IG 图。(E) 石墨烯在转移到 SiO2/Si 基板上后的光学显微镜 (OM) 图像。(F) 石墨烯在转移到 SiO2/Si 基板上后的原子力显微镜 (AFM) 高度图像。(G) 蓝宝石上生长的石墨烯的高分辨率横截面透射电子显微镜 (TEM) 图像。图片来源：科学进展，10.1126/sciadv.abk0115

实验：蓝宝石上的石墨烯

在实验过程中，Chen 等人。使用电磁感应加热作为化学气相沉积（CVD）系统的热源，以扩展高质量石墨烯生长过程中的生长参数空间。该反应器能够在 10 分钟内快速升温至 1400 摄氏度。该过程允许精确调节单层石墨烯均匀生长的活性炭供应。为了了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，以揭示石墨烯域在蓝宝石上的优选取向。为了实现这一点，他们模拟了一个小的石墨烯簇 (C 24 H 12 ) 在氧化铝上的吸附平板。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定向石墨烯的可能性。生长过程中的高温促进了甲烷的充分热解和吸附在蓝宝石上的活性炭的有效迁移，从而提高了生长速度和晶体质量。连续的石墨烯薄膜在 30 分钟内以高透明度覆盖在 2 英寸蓝宝石晶片上。

由高度定向的石墨烯域组成的高质量石墨烯薄膜。(A) LEED 测量位置示意图，用于 5 毫米 x 5 毫米石墨烯/蓝宝石。电子束的直径为——1 mm。(B 到 D) 70 eV 下生长的石墨烯/蓝宝石的代表性假彩色 LEED 图案。(E) 石墨烯薄膜边缘的 TEM 图像。(F) 生长的石墨烯的典型 SAED 图案。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) 从 10 μm x 10 μm 随机抽取的 SAED 图案角度分布的直方图。(H) 生长的石墨烯的原子分辨扫描 TEM 图像。（I 到 K）三个代表性的扫描隧道显微镜 (STM) 图像，在蓝宝石上生长的石墨烯沿 2 μm 的不同区域，间隔为 1 μm。(L) 蓝宝石上生长的石墨烯的典型 dI/dV 光谱。图片来源：科学进展，10.1126/sciadv.abk0115

表征蓝宝石晶片上的石墨烯薄膜

使用扫描电子显微镜(SEM)，Chen 等人。注意到单层石墨烯在完全覆盖时的均匀对比，没有任何空隙。使用在蓝宝石上生产的石墨烯的拉曼光谱，他们确定了表示高质量石墨烯单层的拉曼信号，并确认了其在整个晶圆尺度上的均匀性。光学显微镜结果同样显示出均匀的光学对比度，没有任何污染或可见的二次层。然后，他们使用原子力显微镜确定了通过 CVD（化学气相沉积）方法生长的单层石墨烯的进一步特征。用透射电子显微镜进一步分析(TEM) 显示出高均匀性而没有污染。实验装置允许单层石墨烯在气相中不存在大碳簇的情况下生长，并且存在到达石墨烯表面的单个碳以快速迁移到石墨烯的边缘。为了了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，他们进行了选区电子衍射测量，并使用原子分辨 TEM 图像记录了石墨烯的蜂窝晶格结构。实验设置允许原子核达到最稳定的方向。

生长的高度取向石墨烯的电气特性。(A) 2 英寸石墨烯/蓝宝石晶片的薄层电阻图。(B) 在这项工作中，直接在蓝宝石上涂覆石墨烯的薄层电阻与光传输（550 nm）与先前报道的原始石墨烯和在铜、镍和玻璃基板上生长的掺杂石墨烯的比较。(C) 石墨烯的电阻与顶栅电压的关系，迁移率的非线性拟合为 ——14,700 cm2 V-1 s-1 (T = 4 K)。插图显示了 h-BN 顶栅石墨烯霍尔棒器件的 OM 图像。比例尺，2 μm（插图）。(D) 在室温下在蓝宝石上生长的石墨烯薄膜的太赫兹大尺寸迁移率映射。图片来源：科学进展，10.1126/sciadv.abk0115

进一步的实验

陈等人接下来进行扫描隧道显微镜（STM）以探测石墨烯域的缝合状态。STM 图像也显示出蜂窝状晶格，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晶界的连续薄膜的存在。该工作还证实了蓝宝石碳热还原引起的蓝宝石台阶成功攀登。V 形密度状态以及单层石墨烯的特征狄拉克锥状特征与蜂窝结构一致，以重建由此生长的石墨烯高度取向膜的高质量和纯度。科学家接下来进行了宏观四探针传输测量，以评估生长时的大规模电导率蓝宝石晶片上的高质量石墨烯。他们注意到一张 2 英寸石墨烯/蓝宝石晶片的薄层电阻图，其平均值低至 587 ± 40 欧姆。与直接生长在玻璃基板上的石墨烯相比，结果明显优越。然后，该团队测量了石墨烯在蓝宝石上的场效应迁移率并记录了其载流子密度。这些值也明显高于在电介质基板和金属上直接生长的石墨烯所观察到的值。结果在电子和光电应用中很有希望。

外表

通过这种方式，Zhaolong Chen 及其同事开发了一种使用电磁感应加热 CVD 路线在蓝宝石上直接生长晶圆级、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，以有效地热解碳原料，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，最终可以促进高性能石墨烯电子和产业化。