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中科院上海微系统所成功研制1.5英寸石墨烯单晶晶圆
2015年11月24日    第八研究室

  在国家重大专项晶圆级石墨烯材料和器件基础研究等项目的支持下,中科院上海微系统与信息技术研究所石墨烯研究取得重要进展。信息功能材料国家重点实验室谢晓明研究员领导的石墨烯研究团队在国际上首次实现石墨烯单核控制形核和快速生长,成功研制~1.5英寸石墨烯单晶,研究论文于20151123日在Nature Materials上在线发表(T.R. Wu, et al, Fast growth of inch-sized single-crystalline graphene from a controlled single nucleus on Cu-Ni alloys, DOI: 10.1038/nmat4477 (2015))。 

  铜表面催化生长是目前制备石墨烯薄膜的主要技术途径,但由于无法实现单核控制,因而制备的薄膜一般为多晶,且生长速度随着时间的推移逐渐变慢。此前铜衬底上制备的最大石墨烯单晶筹尺寸约为一厘米,且需要较长的生长时间。微系统所研究团队通过向具有一定溶碳能力的Cu85Ni15合金局域提供碳源,产生局部碳浓度过饱和,成功解决了石墨烯单个核心控制形核这一技术难题。研究发现,Cu85Ni15衬底上石墨烯的生长机理为等温析出,既不同于铜衬底上的表面催化,也不同于Ni衬底的冷却析出。由于溶解在合金衬底内的碳原子参与了表面的石墨烯反应,导致石墨烯单晶近乎线性生长,速度高达180微米/分钟。合作团队美国德州州立大学的于庆凯团队利用同位素方法验证了等温析出这一石墨烯生长新机理,香港理工大学的丁峰教授和华东师范大学的袁清红博士联合开展了第一性原理计算,进一步解释了Cu85Ni15合金衬底上石墨烯高速生长的原因,同时对更高Ni含量合金衬底上石墨烯生长速度下降的原因进行了分析。 

  单晶硅是微电子技术发展的基石,而单晶石墨烯则是其在电子学领域规模化应用的前提。通过单核控制制备晶圆级石墨烯可以视为是三维硅单晶技术在二维材料中的再现,对于推动石墨烯在电子学领域的应用具有重要意义。本研究发展的控制形核技术也为探索其它二维材料单晶晶圆的制备提供了全新的思路。 

  Ni-Cu合金表面快速生长晶圆级石墨烯单晶(左) 同位素技术对合金衬底上石墨烯生长机理的分析(右) 

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