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清华大学徐志平课题组–电介质衬底上均匀石墨烯单分子层的初级成核主导化学气相沉积生长

高质量石墨烯在介电基板上的直接化学气相沉积生长为电子和光电子学中的实际应用提供了广阔的前景。然而,石墨烯在电介质上的生长总是存在不均匀性和/或质量差的问题。在此,本文首先揭示了一种新的前体修饰策略可以成功地抑制石墨烯的二次成核,从而在介电基板上形成超均匀的石墨烯单层膜。研究机理发现,二氧化硅基质的羟基化削弱了石墨烯边缘与基底之间的结合,从而实现了初级成核主导的生长。基于石墨烯薄膜的场效应晶体管显示出优异的电性能,电荷载流子在空气中的迁移率高达3800 cm2 V-1 s-1,远高于已报道的在电介质基底上生长的石墨烯薄膜的迁移率。

清华大学徐志平课题组--电介质衬底上均匀石墨烯单分子层的初级成核主导化学气相沉积生长

Figure 1. (a)石墨烯在多重成核过程和(b)初级成核主导过程中在介电基板上生长的示意图。(c)由沉积在Si封端的二氧化硅上的石墨烯纳米带组成的混合结构,其中黄色,红色,青色和白色点分别代表Si,O,C和H原子。(d)图c中四种混合结构的相应形成能垒。

清华大学徐志平课题组--电介质衬底上均匀石墨烯单分子层的初级成核主导化学气相沉积生长

Figure 2. 前驱体修饰策略生长不同覆盖范围的石墨烯样品。(a-c)形状和尺寸均匀的石墨烯薄膜的SEM图。(d–f) 均匀形状和尺寸的石墨烯薄膜对应的AFM图。(g–i)图a-c中石墨烯薄片的粒径的直方图。

清华大学徐志平课题组--电介质衬底上均匀石墨烯单分子层的初级成核主导化学气相沉积生长

Figure 3. (a,b)均匀石墨烯薄膜的SEM图。(c)图b中石墨烯颗粒的粒径直方图。(d)石墨烯薄膜的拉曼光谱。(e)单层石墨烯薄膜边缘的TEM图。(f)单层石墨烯薄膜的过滤原子分辨横向力图像。(g-i)图g中的标记区域的光学图像、相应的拉曼G峰和2D峰强度映射。

清华大学徐志平课题组--电介质衬底上均匀石墨烯单分子层的初级成核主导化学气相沉积生长

Figure 4. (a)石墨烯薄膜生长示意图。(b)基于石墨烯的FET器件的原理结构。(c)室温空气中装置的输出曲线;(d)器件在VDS = -1 V时的输出曲线;(e) 23个设备的载流子迁移率分布,主要为3500-4000 cm2 V-1 s-1

相关研究成果于2019年由清华大学徐志平课题组,发表在J. Am. Chem. Soc.(https://doi.org/10.1021/jacs.9b05705)上。原文:Primary Nucleation-Dominated Chemical Vapor Deposition Growth for Uniform Graphene Monolayers on Dielectric Substrate

本文来自石墨烯杂志,本文观点不代表利特纳米立场,转载请联系原作者。

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