Nano Res.[合成]│华南师范大学徐小志课题组：AB堆垛双层石墨烯单晶生长

背景介绍

AB堆垛的双层石墨烯具有独特的能带结构和可调谐的带隙，为纳米电子学提供了潜在应用。其带隙可通过外加电场、应变和分子掺杂进行调控。最近，一些新颖的量子态在AB堆垛的双层石墨烯中被观察到，为电子学和光子学领域提供了广泛的机会。因此，具有精确控制的AB堆垛结构的高度结晶双层石墨烯的可扩展生产对于基础研究和潜在应用都具有至关重要的意义。AB堆垛单晶双层石墨烯薄膜的外延生长需要严格的AB堆垛晶格、相同的取向和双层石墨烯晶畴的无缝拼接。然而，高温生长过程中不可避免地出现在金属衬底表面的颗粒会导致随机取向、扭曲的堆垛结构和不可控的多层成核，这无疑是一个巨大的挑战。

成果简介

华南师范大学徐小志课题组针对AB堆垛的双层石墨烯目前存在的随机成核问题，提出了一种在Cu/Ni（111）箔上制备AB堆垛双层石墨烯单晶薄膜的方法。采用一种耐热盒辅助策略有效消除了Cu/Ni（111）表面上的颗粒，大大减少了随机扭曲岛和无法控制的多层的发生。通过严格的AB堆垛晶格、相同的取向以及双层石墨烯岛的无缝拼接，实现了AB堆垛的双层石墨烯单晶薄膜的外延生长。所生长的AB堆垛双层石墨烯薄膜显示出超过99%的取向一致和超过99%的AB堆垛。这项工作为AB堆垛双层石墨烯单晶生长提供了一种方法，并将加速其在高端电子学、光电子学和半导体应用等领域的器件应用的发展。

图文导读

图1 AB堆叠双层石墨烯的设计生长。

为了生长AB堆垛的双层石墨烯，我们需要第二层石墨烯的严格外延。然而，在传统的CVD系统中存在的二氧化硅颗粒也会作为第二层石墨烯的成核点，从而引起多层区域和不可控的扭曲叠层。通过耐热盒子的引入，成功避免了颗粒的影响，第二层石墨烯都以AB堆垛的方式生长，多层区域也可以有效减少。

图2 使用和不使用耐热盒生长的双层石墨烯的统计数据和表征。

未使用盒子生长的单层石墨烯的错误取向百分比约为2%，而采用盒子生长后，此比例降至0.2%，减少了约10倍。对于双层石墨烯的生长，扭曲双层石墨烯和多层的比例用传统方法生长中分别为14.6%和11.4%，在使用盒子时降至1%和0.2%。

图3 双层石墨烯单晶薄膜的生长和无缝拼接。

通过增加生长时间，可以连续获得排列整齐的单层石墨烯晶畴、单层石墨烯单晶膜、双层石墨烯晶畴和双层石墨烯单晶薄膜。低能电子衍射表征验证了大面积的堆叠顺序和晶格取向。透射电镜在合并区域验证了双层石墨烯晶畴的无缝拼接。

图4 生长的AB堆叠双层石墨烯的质量表征。

在300 nm SiO₂/Si衬底上制备了场效应晶体管器件，比较了有无盒子得到的AB堆叠双层石墨烯样品的电学性质来验证薄膜质量，发现电学性质获得了明显的改善。

作者简介

徐小志教授简介：国家基金委优青，广东省杰青，华南师范大学物理学院凝聚态物理研究所副所长，教授，课题组长。主要从事低维材料与表面物理研究。代表性成果包括：（1）提出利用表面悬挂键断裂释放局域元素调控二维材料生长动力学势垒和热力学能级的方法，实现石墨烯超快生长；（2）提出利用表面原子结构调控二维材料生长的方法，实现了大尺寸单晶石墨烯、氮化硼和过渡金属硫族化合物制备；（3）提出利用表面能与界面能调控晶面指数的方法，实现30余种A4尺寸高指数单晶铜箔制造。发表通讯/第一作者论文19篇，包括Nature正刊2篇、Nature子刊5篇，获授权发明专利19项。主持国家重点研发计划课题、广东省重点领域研发计划等项目。入选“2019中国十大新锐科技人物”，研究工作入选2020年度中国重大技术进展、2020年中国半导体十大研究进展。目前担任《Materials futures》、《Frontiers of physics》杂志青年编委。

文章信息

Zhang X, Zhou T, Ren Y, et al. Towards growth of pure AB-stacked bilayer graphene single crystals. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6348-9.