如今，使用化学气相沉积（CVD）可以大规模生长高质量的石墨烯。材料产业化的主要瓶颈仍然是石墨烯从生长基质转移到目标基质。来自剑桥大学和亚琛工业大学的一组研究人员现在已经开发出一种同时优化生长和转移过程的方法，表明如果适当选择生长表面的晶体取向，可以以高产量干转印石墨烯。
CVD在铜上生长的星形石墨烯薄片的光学显微照片。 © （亚琛工业大学斯坦普弗实验室）
自发现以来，石墨烯已经证明了其在下一代电子产品中的潜力，但由石墨烯支持的高端电子设备在市场上仍然无处可寻。在研究实验室中实现的“英雄设备”的性能与使用可扩展方法可重复制造的性能之间的差距仍然很大。 在可扩展性方面取得更多进展的领域之一是石墨烯的晶体生长：在这里，CVD已经成熟为生长具有出色晶体质量的石墨烯的领先技术。然而，对于大多数应用，石墨烯需要从生长基底（通常是铜）转移到可以构建组件的最终基板，并且该转移步骤仍然是一个关键的瓶颈。当前的转移方法要么导致晶体质量的大幅下降，要么与大批量生产不兼容。
部分问题在于，到目前为止，石墨烯的生长和转移一直被视为两个独立的过程，并独立优化。现在，来自剑桥大学和亚琛工业大学的一组科学家开发了一种高通量筛选方法，可以同时优化石墨烯的生长和转移。由于这种方法，他们已经能够证明由CVD生长的石墨烯岛的机械转移的可扩展途径。该过程确保了石墨烯结构域的高产率（>95%）和高质量，室温下的电子迁移率在40000 cm2/（Vs）范围内 – 这一结果可能是石墨烯产业化的真正突破。
“这项工作最具挑战性的方面是我们生成的大量数据，”剑桥大学研究员，该论文的共同主要作者Oliver Burton说。“我们已经在100多种不同晶体取向上生长的数千个石墨烯岛上获取了数千个数据点，并在整个生长和转移过程中进行了测量。我们开发的以有意义的方式将所有这些信息编织在一起的方法，是这项工作最重要的成果之一。它不仅是找到一种以高产率和高质量转移CVD石墨烯的方法的关键，而且还很容易适应丰富的其他材料系统。
这项工作是石墨烯旗舰内部合作的一个典型例子。亚琛工业大学研究员、该论文的共同主要作者Zachary Winter说：“在石墨烯旗舰项目中，我们可以利用我们大学的两大优势——剑桥在材料生长方面和工业大学在器件制造和表征方面的优势——来全面分析整个生长和转移过程的参数空间。 我们开发的高通量筛选方法可以成为优化其他2D材料生长和转移的框架。下一个目标是实现全部基于CVD生长材料的异质结构。
这项研究发表在ACS Nano上，可在线获取： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c09253
文献信息：
Putting High-Index Cu on the Map for High-Yield, Dry-Transferred CVD Graphene
Oliver J. Burton*, Zachary Winter*, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Bernd Beschoten, Christoph Stampfer, and Stephan Hofmann
ACS Nano 2023, 17, 2, 1229–1238
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09253
Publication Date: January 3, 2023
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