成功地在Ru衬底表面上获得了高质量的大面积外延石墨烯和SiO2绝缘层

石墨烯的独特结构包含丰富而新颖的物理学,不仅为基础科学提供了重要的研究平台,而且在电子,光电和柔性器件等许多领域也显示出广阔的应用前景。

为了充分发挥石墨烯的优良性能并实现其工业化生产和应用,有必要寻找一种合适的材料制备方法,使所制备的石墨烯能够同时满足大面积,高质量和与现有石墨烯相容的条件。

硅工艺。

迄今为止,通常通过在过渡金属表面上外延生长获得大面积,高质量的石墨烯单晶。

但是,随后的复杂转移过程通常会导致石墨烯质量下降和界面污染,从而阻碍了石墨的发展。

烯在电子设备中的应用。

图1. Ru(0001)表面外延大面积高质量石墨烯SiO2插层和原位器件制备。

(A)-(d)SiO2嵌入和原位装置示意图; (e)-(g)在不同制备阶段对样品进行LEED表征; (h)石墨烯霍尔器件的拉曼映射。

近年来,来自中国科学院物理研究所纳米物理与器件重点实验室/北京国家凝聚态物理研究中心的高洪军院士率领了一个研究小组,研究了石墨烯和石墨烯的制备,性质控制和应用。

石墨烯状二维原子晶体材料。

通过系统的研究和探索,取得了一系列重要的研究成果。

在早期的研究工作中,他们发现外延生长在过渡金属表面上的石墨烯具有面积大,质量高,连续且层数可控的优点[Chin.Phys.16,3151(2007); Adv.Mater.21,2777(2009); 2DMater。

6,045044(2019)];他们进一步开发了基于该系统的异质元素插层技术,利用该技术可以有效地避免复杂的石墨烯转移过程,从而可以将大面积,高质量的石墨烯单晶放置在异质元素插层衬底上而不会造成损坏[ Appl.Phys.Lett.100,093101(2012); Appl.Phys.Lett.99,163107(2011)]。

随后,他们成功地揭示了石墨烯无损嵌入的普遍机理[J.Am.Chem.Soc.137,7099(2015)],并使用该嵌入技术实现了石墨烯/硅在空气中的稳定存在。

烯异质结的构建[Adv.Mater.30,1804650(2018)]和石墨烯电子结构的规定[NanoRes.11,3722(2018); NanoLett.20,2674(2020)]。

图2.(a)薄层结晶二氧化硅插层样品的STEM截面图; (b)高分辨率STEM图像,显示了结晶二氧化硅的双层结构; (c)界面处的EELS频谱; (d))结晶二氧化硅表面上石墨烯的STM图像; (e)插层后石墨烯的拉曼光谱。

图3.(a)二氧化硅插层样品厚层界面的STEM图像,表明该界面处二氧化硅厚层的厚度达到1.8nm,具有无定形结构; (b)X射线光电子能谱; (c)在低偏压(<10mV)下,在垂直方向上测试了具有不同厚度的二氧化硅插层的样品的传输性能; (d)基于不同厚度的二氧化硅插层样品的透射系数的计算。

在这一系列研究的基础上,研究团队的博士后研究员郭辉,博士生王学艳,副总工程师黄力等,经过近十年的不断努力,实现了外延优质石墨烯SiO2绝缘插层在金属表面上。

,并成功地构建了原位石墨烯电子器件。

他们首先在Ru(0001)的表面上实现了厘米大小的单晶石墨烯的外延生长。

在此基础上,他们开发了一种逐步插入技术,将硅和氧这两种元素插入同一样品中,即石墨。

二氧化硅膜的生长是在烯烃和Ru基体之间的界面上实现的。

随着硅和氧插层量的增加,界面处的二氧化硅逐渐变厚,其结构从晶体变为无定形。

当硅插层膜达到一定厚度时,石墨烯与金属基板绝缘;石墨烯与金属基板绝缘。

在二氧化硅插层基板上使用石墨烯材料,可以实现原位不转移外延石墨烯器件的制备(图1)。

图4.原位石墨烯霍尔器件的磁性传输测试。

(A)SdH振荡在不同