我國科學(xué)家研發(fā)制備石墨烯新方法，介電襯底長出“高”“大”石墨烯

2019-08-08 11:29:51 作者：

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石墨烯以其獨特的結(jié)構(gòu)和性能蘊含了豐富而新奇的物理與化學(xué)性質(zhì)，成為集優(yōu)良力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)特性于一體的神奇材料，在信息器件與電路等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是目前信息科學(xué)發(fā)展最為迅速和活躍的研究前沿之一。

近年來，石墨烯研究已取得了一系列重要進展，新發(fā)現(xiàn)、新成果不斷涌現(xiàn)，但總體來說在實用化信息器件方面仍面臨很多挑戰(zhàn)。特別是基于高質(zhì)量大面積石墨烯的信息器件構(gòu)筑及其特性研究備受關(guān)注。

自2014年起，在國家自然科學(xué)基金重大項目“介電襯底上高質(zhì)量大面積石墨烯信息器件的構(gòu)筑與特性研究”支持下，中國科學(xué)家瞄準領(lǐng)域研究前沿，針對石墨烯信息器件的一些關(guān)鍵基礎(chǔ)問題，開展新概念、新方法和新技術(shù)的研究，在石墨烯信息器件的重大科學(xué)問題上取得了一系列進展。

超級材料石墨烯獨特又完美

 

石墨烯是由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)，這種獨特而完美的結(jié)構(gòu)使它具有優(yōu)異而新奇的特性。例如，石墨烯具有100倍于硅的超高載流子遷移率、高達130GPa的強度、很好的柔韌性，以及近20%的伸展率、超高熱導(dǎo)率、高達2600平方米每克的比表面積，并且?guī)捉该鳎诤軐挼牟ǘ蝺?nèi)光吸收只有2.3%。

這些優(yōu)異的物理性質(zhì)使石墨烯在射頻晶體管、超靈敏傳感器、柔性透明導(dǎo)電薄膜、超強和高導(dǎo)復(fù)合材料、高性能鋰離子電池和超級電容器等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

 

中國科學(xué)家研發(fā)制備石墨烯新方法 介電襯底長出

“高”“大”石墨烯“高”“大”石墨烯制備絕非易事

 

能否在介電襯底上大面積、高質(zhì)量地制備石墨烯是其應(yīng)用能否真正實現(xiàn)的關(guān)鍵前提和基礎(chǔ)，也是石墨烯研究領(lǐng)域的重點和熱點。

自2004年以來，科學(xué)家們已發(fā)展出多種制備石墨烯的方法，包括機械剝離法、SiC或金屬單晶表面外延生長法、化學(xué)氧化剝離法、插層剝離法及化學(xué)氣相沉積（CVD）法等。其中，CVD法由于具有可控性高、結(jié)晶質(zhì)量好、均勻、薄膜尺寸大等優(yōu)勢而成為制備石墨烯最為普遍的方法之一。

CVD法大多以過渡金屬為生長基底，借助于其較高的化學(xué)催化活性，促進碳源裂解并在金屬表面吸附、擴散、成核、生長形成石墨烯。通過調(diào)控生長過程的參數(shù)，可以實現(xiàn)大面積、層數(shù)可控、高質(zhì)量且結(jié)構(gòu)均一連續(xù)的石墨烯薄膜，經(jīng)過工藝優(yōu)化，可實現(xiàn)超大面積石墨烯單晶生長。

值得一提的是，在實際應(yīng)用過程中，金屬表面形成的石墨烯一般需要轉(zhuǎn)移至介電層上，才可以進行下一步的器件加工。復(fù)雜的轉(zhuǎn)移過程不可避免地帶來石墨烯的破損、褶皺，金屬、溶劑殘留污染以及操作繁復(fù)、一致性差、成本高昂等問題。

為解決這一問題，研究者將目光投向了在介電襯底表面直接生長石墨烯。如果能在介電襯底上直接可控制備大面積、高質(zhì)量的石墨烯，就可以直接利用目前的微電子技術(shù)制備器件，實現(xiàn)與硅技術(shù)融合，這將會極大促進石墨烯的廣泛應(yīng)用和長足發(fā)展。

然而，由于介電層表面能量較低，對碳源小分子的裂解以及石墨烯形成所產(chǎn)生的催化作用十分微弱，因而在介電襯底上直接生長石墨烯是一個研究難點。

 

中國科學(xué)家研發(fā)制備石墨烯

 

新方法 介電襯底長出“高”“大”石墨烯長出“高”“大”石墨烯如何將石墨烯的優(yōu)異性能在器件中呈現(xiàn)出來？面對這一挑戰(zhàn)，項目組改進了石墨烯的生長手段，嘗試在多種介電襯底上生長石墨烯。

研究人員通過巧妙控制碳源的通入量和實驗溫度，利用掃描隧道顯微鏡直接觀測到石墨烯生長初期的前驅(qū)體單元，以及前驅(qū)體單元在石墨烯成核階段形成的鏈狀結(jié)構(gòu)。課題負責人表示：“前驅(qū)體的發(fā)現(xiàn)表明，可以考慮通過控制碳源的通入來影響前驅(qū)體的產(chǎn)生，進而實現(xiàn)高質(zhì)量、大面積石墨烯的可控生長。”

基于此，該課題組在國際上首次提出并利用“插層法”實現(xiàn)原位、無損地將Si、Ge、Mg、Hf等幾種材料插入石墨烯與金屬的界面之間，并克服重重困難對插層結(jié)構(gòu)進行原位氧化，經(jīng)過無數(shù)次實驗摸索，終于獲得高絕緣性的介電插層，實現(xiàn)了介電襯底上高質(zhì)量、大面積的石墨烯材料生長。同時，通過石墨烯量子器件的加工印證了介電插層的有效性，引起了國際同行的關(guān)注與好評。

此外，研究人員還采用非金屬催化的CVD方法，在多種絕緣基底上實現(xiàn)了微米尺度石墨烯單晶的直接生長和可控制備，獲得大面積均勻的單層石墨烯膜，薄膜尺寸達3英寸。這也為項目后期石墨烯器件的構(gòu)筑與性能調(diào)控，以及高性能石墨烯器件的制備與優(yōu)化提供了條件。

為了將上述介電襯底上生長的高質(zhì)量石墨烯應(yīng)用于信息功能器件，中國科學(xué)院物理研究所研究員楊海方等人發(fā)明了一種雙層掩模工藝，實現(xiàn)了亞10納米石墨烯功能結(jié)構(gòu)的精確、可控制備，解決了絕緣的介電襯底上利用電子束曝光制備石墨烯納米結(jié)構(gòu)的難題。同時采用電子束曝光及紫外光刻混合曝光方法，在4英寸的介電襯底上實現(xiàn)了石墨烯傳感器器件和射頻晶體管陣列的精確、大面積、一致性高效制備。

石墨烯器件的批量制備與優(yōu)化

 

具有眾多新奇特性的石墨烯被認為是一種非常有前景的信息功能材料。因此，電子器件和電路是石墨烯應(yīng)用的首選領(lǐng)域，也是研究最為廣泛的領(lǐng)域。石墨烯可以應(yīng)用于磁傳感器、高頻電路、氣體傳感、光傳感、柔性電子學(xué)等諸多方面。

項目組圍繞石墨烯應(yīng)用于構(gòu)筑信息器件與電路的需求，在注意發(fā)展介電襯底上大面積、高質(zhì)量石墨烯的可控制備及特性的同時，也積極探索基于石墨烯信息器件的構(gòu)筑與集成。在研究信息功能的石墨烯納米結(jié)構(gòu)制備及性能調(diào)控的基礎(chǔ)上，我們制備了多種石墨烯信息功能器件并對其性質(zhì)進行了深入研究。

研究人員提出了一種石墨烯波紋結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳感器，使應(yīng)力測量范圍超過30%，并設(shè)計出基于隧穿效應(yīng)的納米石墨烯薄膜應(yīng)力傳感器，使靈敏因子提高到500以上。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需求選擇不同表面電阻和靈敏度的準連續(xù)石墨烯來構(gòu)造應(yīng)力傳感器。

這種基于石墨烯隧穿效應(yīng)的應(yīng)力傳感器具有可拉伸、靈敏度高、穩(wěn)定性強、透明等特點，其在人造皮膚、觸摸屏等方面顯示了巨大的應(yīng)用潛力。

石墨烯超高的載流子遷移率、低載流子濃度和很好的穩(wěn)定性，是制備霍爾元件的絕佳電子材料。

課題負責人發(fā)展了一種工藝簡單、成本低廉的石墨烯微加工技術(shù)，克服了器件接觸電阻大這一難題，批量制備出了具備超高靈敏度和分辨率的石墨烯霍爾元件。該石墨烯霍爾元件的磁靈敏度達2093 V/AT ，分辨率達1 mG/Hz0.5，是目前最為靈敏和精確的石墨烯霍爾元件。這種高靈敏度的霍爾傳感器能夠探測更小的磁場，降低后端放大電路的成本，因而有巨大的市場應(yīng)用前景。

此外，研究人員基于柔性石墨烯霍爾傳感器，開發(fā)了一款柔性可穿戴位置傳感系統(tǒng)。將傳感器貼在用戶手指上，當磁體靠近磁場源，根據(jù)霍爾效應(yīng)，輸出的電壓會有一個跳變。我們通過記錄并處理電壓信號，創(chuàng)新性地實現(xiàn)了虛擬鍵盤、虛擬電子琴和無接觸密碼鎖的演示。這種高靈敏度的柔性磁傳感器有希望應(yīng)用于無接觸密碼輸入、可穿戴娛樂和工業(yè)控制安全防護領(lǐng)域中。

此外，項目組還研制出具有獨立功能的石墨烯/硅基CMOS線性霍爾集成電路、石墨烯倍頻器、混頻器和短溝道器件等。這一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能新原理石墨烯信息器件，有效提升了我國石墨烯信息器件的自主研發(fā)能力和在該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)影響力，同時也造就了一支創(chuàng)新能力強、多學(xué)科交叉的國際一流研究隊伍。

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