查尔姆斯团队通过简单的工艺展示了高电荷载流子迁移率石墨烯

“我们的观察确实会增加这种柔性石墨烯薄膜在这一领域的范围。这也可能迎来柔性电子产品的新时代，”Munis Khan说。图片来源：查尔姆斯理工大学

自2004年发现以来，石墨烯因其非凡的性能而受到关注，其中包括其极高的载流子迁移率。然而，高载流子迁移率只能使用需要复杂和昂贵的制造方法的技术来观察到。现在，查尔姆斯的研究人员使用更便宜，更简单的方法报告了石墨烯令人惊讶的高电荷载流子迁移率。

“这一发现表明，转移到廉价和柔性基板上的石墨烯仍然可以具有毫不妥协的高迁移率，它为石墨烯纳米电子学的新时代铺平了道路，”查尔姆斯理工大学研究员Munis Khan说。

石墨烯是单原子厚的碳原子层，被称为世界上最薄的材料。该材料由于其优异的电气、化学和材料特性，已成为半导体、汽车和光电行业的热门选择。其中一个特性是其极高的载波移动性。

“在固态物理学中，电子载流子迁移率表征了电子在被电场拉动时在金属或半导体中移动的速度。石墨烯的高电子迁移率为以太赫兹开关速率运行的宽带通信和高速电子设备提供了巨大的潜力。此外，其他材料特性，如高化学稳定性，出色的透明度和对生化物质的电灵敏度，使其成为显示器，光收集设备和生物传感器的有前途的材料，”Munis Khan说。

然而，石墨烯中极高的载流子迁移率要么在机械剥落的石墨烯中观察到，这是一种缺乏工业可扩展性的过程，要么是在六方氮化硼上制造的石墨烯器件。通过将称为化学气相沉积（CVD）的过程生长的石墨烯转移到复杂的氧化物异质结构中，也观察到了这种高流动性。所有这些技术都需要复杂而昂贵的制造方法，这不仅使其更加昂贵，而且还阻碍了此类设备的大规模生产。

具有高载流子迁移率的更便宜的石墨烯

现在，Munis Khan和他的同事们报告了CVD石墨烯在未抛光的铜箔上生长的令人惊讶的高电荷载流子迁移率，并使用普通的办公室层压机和铜的湿蚀刻转移到EVA / PET层压箔上。在简单地将塑料上的石墨烯三明治保持在60°C几个小时后，移动性增加了八倍。

“这一发现表明，即使是廉价和灵活的石墨烯器件仍然可以具有毫不妥协的高迁移率，”Munis Khan说。”我们的文章提出了一种简单的方法，可以在具有高载流子迁移率的柔性基板上制造廉价的石墨烯器件，可能仅受CVD工艺和铜纯度的限制。

转移到EVA / PET的CVD石墨烯正在被深入探索和研究用于柔性和可拉伸的电子产品，特别是在形状符合的系统中，如便携式能量收集设备，电子皮肤和可穿戴电子设备，这些设备需要高度的灵活性和拉伸性。传统半导体缺乏石墨烯所具有的优越机械性能，这使得它们不适合此类应用 – 通常需要具有高载流子迁移率的高导电性柔性石墨烯薄膜。

“我们的观察确实会增加这种柔性石墨烯薄膜在这一领域的范围。这也可能迎来柔性电子产品的新时代。现在，需要高导电薄膜的应用可以通过我们文章中提出的经济实惠且简单的方法实现。事实上，在我们的研究小组中，我们打算使用这种石墨烯薄膜来制造极其灵敏的生物传感器，太赫兹探测器和高频器件，这些应用也需要高载流子迁移率。挑战将是集成微加工技术以在柔性基板上制造设备。一旦这些问题得到解决，可能在2-3年内，我们就可以开始利用这种石墨烯薄膜来制造工业用设备，”Munis Khan说。

关于发现

石墨烯在商用铜箔上的化学气相沉积（CVD）为高质量单层石墨烯提供了一条可扩展的途径。CVD方法基于沉积在基板上的气态反应物。石墨烯生长在Cu，Pt或Ir等金属表面上，之后它可以与金属分离并转移到特定所需的基板上。该过程可以简单地解释为含碳气体，在金属催化剂存在下在高温（900-1100摄氏度）下发生反应，其既可作为碳物质分解的催化剂，又可作为石墨烯晶格成核的表面。

研究人员发现，CVD石墨烯一旦通过热压层压从铜转移到EVA / PET（普通层压袋），最初在500-1000 cm²/(V s)的范围内显示出低载流子迁移率。但是，一旦这种薄膜在恒定的氮气流中保持在60°C下几个小时，迁移率就会增加八倍，室温下达到6000-8000 cm²/(V s)。

该研究发表在Nanomaterials上。