成果简介
在石墨烯薄膜的化学气相沉积中使用金属箔催化剂，使得石墨烯转移成为石墨烯器件制造中不可避免的部分，这极大地限制了工业化。本文，北京工业大学解意洋副教授、Jun Deng、徐晨教授等研究人员在《Small》期刊发表名为“In Situ Growth of Graphene Catalyzed by a Phase-Change Material at 400 °C for Wafer-Scale Optoelectronic Device Application”的论文，研究发现一种氧化物相变材料（V2O5）对石墨烯生长具有与传统金属相同的催化作用。
在10nm的V2O5膜上可以获得均匀的大面积石墨烯膜。利用密度泛函理论定量分析了五氧化二钒的催化作用。由于V2O5在室温下的高电阻特性，所获得的石墨烯可以直接用于具有V2O5作为插层的器件中。成功地制备了晶圆级石墨烯-V2O5-Si（GVS）肖特基光电探测器阵列。当792 nm激光照射时，光电探测器的响应度在0 V偏压下可达到266 mA W−1，在2 V偏压下可达420 mA W−2。无转移器件制备工艺实现了工业化的高度可行性。
图文导读
图1、a) 石墨烯的PECVD生长示意图。b) 石墨烯生长机制图。
图2、a） 不同材料催化的石墨烯的拉曼光谱。b） 在Cu和V2O5上生长的石墨烯的拉曼光谱。c） 石墨烯C1s峰的XPS光谱。d） 不同等离子体功率生长的石墨烯的拉曼光谱。e） 不同生长温度下生长的石墨烯的拉曼光谱。f） 石墨烯在800nm至1800nm范围内的吸收。g） 20µm×20µm面积上石墨烯ID/IG比率的拉曼映射。h） 石墨烯的AFM图像。沿（h）中的白线测量高度轮廓。两个红点之间的高度差为5nm。i） 转移到SiO2表面上的石墨烯的SEM图像。
图3、a） 400°C时V2O5的XRD光谱。可以观察到具有不同晶体取向（110、102和121）的V2O5。b） 石墨烯生长后V2O5的XPS光谱。c） 在CH4与V2O5（110）反应期间，初始、最终和过渡态的能量分布和相应结构。
图4、a） GVS光电探测器示意图。b） 器件轮廓结构和结的带状结构图。c） 2英寸晶圆级光电探测器阵列。d） 用不同入射功率的光照射设备的I–V曲线。e） 光源开/关切换为0.1Hz时光电探测器的时间响应。f） 具有（GVS结构）和不具有（VS结构）石墨烯的器件的I-V曲线。
小结
在这项工作中，首次发现相变材料对石墨烯生长有催化作用。DFT被用来定量分析V2O5的催化作用。这种催化能力可能来自于温度高于相变温度时V2O5的金属特性。在等离子体的帮助下，整个生长时间非常短（<20分钟）。V2O5在室温下表现出很高的电阻，使其能够直接制造石墨烯器件而无需转移。一个具有高性能的晶圆级GVS肖特基光电探测器阵列被成功制造出来。无转移的器件制造工艺使其在工业化中具有很高的可行性。
文献：https://doi.org/10.1002/smll.202206738
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