刘忠范/孙靖宇/魏同波AFM：超平整石墨烯的直接生长

第一作者：姜蓓，梁冬冬，孙中体

通讯作者：刘忠范，孙靖宇，魏同波

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无褶皱超平整石墨烯薄膜的化学气相沉积（CVD）制备是近年来的研究热点和难点。金属衬底上已发展无褶皱石墨烯的生长方法，然而在绝缘衬底上无转移生长超平整石墨烯尚未报道。基于此，北京大学刘忠范院士课题组与苏州大学能源学院孙靖宇教授课题组近期在Advanced Functional Materials上发表题为“Toward Direct Growth of Ultra-Flat Graphene”的研究论文。北京大学博士研究生姜蓓、中科院半导体所博士研究生梁冬冬和江苏大学孙中体博士为第一作者；刘忠范院士、孙靖宇教授和魏同波研究员为通讯作者。

背景介绍

褶皱的消除是石墨烯薄膜CVD制备领域的研究热点。绝缘衬底上超平整石墨烯的无转移生长仍是艰巨的挑战。本工作实现了在低成本的石英玻璃衬底上直接生长晶圆尺寸的超平整石墨烯薄膜，其具有无褶皱和无金属杂质等特征。理论计算证实，去除生长体系中杂质颗粒可以有效地抑制多层石墨烯岛状伴生结构；通过温度的控制，可以同时实现石英衬底的平整化处理和岛状结构的有效抑制。以制备的超平整石墨烯石英晶圆为衬底，可以生长面外取向一致、表面原子级平整的高质量GaN薄膜。该方法为超平整石墨烯的无转移制备提供了新思路，并为低成本的石墨烯基范德华集成奠定了基础。

图文解析

图一：该报道方法和常规方法中石墨烯在非晶SiO₂衬底上的成核和生长行为。a) 有无Si₄O₄团簇时石墨烯层与石墨烯岛的结合能（硅原子、氧原子、石墨烯层的碳原子、石墨烯岛的碳原子分别标为红色、黄色、灰色、绿色）；b) 绝缘衬底上石墨烯的层岛生长模式；c) 表面存在杂质颗粒和岛状结构的石墨烯石英晶圆示意图；d) 绝缘衬底上石墨烯的逐层生长模式；e) 超平整石墨烯石英晶圆的示意图；f) 生长温度区间的调控，该方法最优温度区间取自低岛状结构占比和衬底平整化温度区间的交集。

图二：通过空间限域抑制石英衬底产生SiO_x颗粒。a,b) 该报道的生长方法示意图(a)及常规生长示意图(b)；c) 生长体系的局部气流速率分布图；d) 石英衬底上下表面气流速率随狭缝宽度变化的折线图；e) 避免石英衬底自身的颗粒污染和石墨烯岛状伴生结构的过程示意图。

图三：该报道方法与常规方法生长石墨烯的结果对比。a,b) 该报道方法(a)和常规方法(b)制备的石墨烯石英表面的原子力显微镜（AFM）图像，RMS为均方根粗糙度；c,d)该报道方法(c)和常规方法(d)制备的石墨烯的高分辨透射电镜（TEM）图像；e,f) 该报道方法(e)和常规方法(f)生长的石墨烯薄膜的扫描电镜（SEM）图像，图中标记了岛状结构的密度；g) 该报道方法和常规方法生长的石墨烯薄膜上岛状结构面积占比（S₀/S）；h) 该报道方法制备的石墨烯拉曼D峰与G峰强度比（I_D/I_G）与温度的关系；i) 该报道方法制备的石墨烯面电阻与温度的关系。

图四：晶圆尺寸超平整石墨烯的表面粗糙度评估。a) 2英寸超平石墨烯石英晶圆的实物图，插图为该石墨烯的原子分辨TEM图像；b) 该方法制备的2英寸石墨烯石英晶圆上16个抽样选区的AFM图像；c) 该方法制备的2英寸石墨烯石英晶圆25个5 × 5 μm²区域的粗糙度RMS统计柱状图；d)本工作和文献中石墨烯薄膜粗糙度的比较。

图五：超平整石墨烯石英晶圆上生长的高质量GaN薄膜。a)高粗糙度、石墨烯覆盖率低的石墨烯石英晶圆和超平整、石墨烯满覆盖的石墨烯石英晶圆上生长III族氮化物的示意图；b) 超平整石墨烯上生长的GaN薄膜的AFM图像，插图为GaN薄膜的SEM图像；c) 超平整石墨烯上生长的GaN薄膜的电子背散射衍射图，展示了面外取向的一致性；d) X射线衍射（XRD）2θ谱图；e) 常规质量石墨烯/石英和超平整石墨烯/石英上生长的GaN薄膜的XRD (0002) ω摇摆曲线；f) 2英寸GaN基探测器阵列的实物照片；(g) 该探测器的电流-电压曲线，插图为器件的光学显微镜照片；h) 该探测器的电流-时间曲线。

总结与展望

作者通过抑制SiO_x颗粒、控制生长温度和设计限域空间，实现了超平整石墨烯在石英上的直接生长。该方法生长的石墨烯在晶圆范围内的粗糙度RMS均值仅为0.338 nm。与常规生长不同，无硅源的生长过程对石墨烯的成核和生长模式均带来改变，有利于岛状伴生结构的抑制。在最优的反应温度范围（1443-1453 K）内，该方法可以对石英衬底表面进行平整化处理，并生长无褶皱石墨烯。超平整石墨烯石英晶圆上范德华外延生长的GaN薄膜具有优异的面外取向一致性和较高的结晶质量。

文献来源

Bei Jiang et al., Toward Direct Growth of Ultra-Flat Graphene, Adv. Funct. Mater. 2022, DOI:10.1002/adfm.202200428.