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美国加州理工学院物理系Nai-Chang Yeh课题组–等离子体增强化学气相沉积法直接生长mm尺寸的双绞线层石墨烯

等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术,现已被证明是一种无需主动加热即可实现高质量单层石墨烯(MLG)一步合成的有效方法。本文报道了生长参数控制层间扭曲角的单晶六方双层石墨烯(BLG)薄片和mm尺寸BLG薄膜的PECVD生长。扭转角是由三种实验方法确定的,包括直接用扫描电子显微镜测量两个堆叠的单层膜之间的晶体边缘的相对取向,分析扭转角相关的拉曼光谱特性,以及用扫描隧道显微镜测量莫尔周期。在毫米大小的扭曲BLG (tBLG) 薄膜中,平均扭曲角可以控制在大约0°-20°之间,对于给定的生长条件,角展度可以限制为<7°。开尔文探针力显微镜和紫外光电子能谱验证了MLG和BLG之间不同的功函数。基于小角度tBLG样本的背栅场效应晶体管器件进行电学测量,显示出300 K的高质量电特性和低至100 K的绝缘温度依赖性。因此,tBLG的可控PECVD生长法为研究莫尔电位变化对tBLG的影响提供了一种有效的方法。

美国加州理工学院物理系Nai-Chang Yeh课题组--等离子体增强化学气相沉积法直接生长mm尺寸的双绞线层石墨烯

Fig. 1. (a)生长在Cu箔底部石墨烯的拉曼光谱。(b)生长在铜箔底部的MLG、BLG和tBLG的拉曼光谱。

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Fig. 2. 用PECVD在Cu箔上生长的单晶MLG和BLG样品的SEM图。

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Fig.3. (a)MLG, AB-BLG和tBLG的拉曼光谱。(b) tBLG样品的拉曼光谱。(c-d) R和R’波段的扭曲角相关拉曼光谱特征。

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Fig. 4.在MLG和BLG样品上以不同的扭转角拍摄的光学图像和空间分辨拉曼图。

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Fig. 5. 大型MLG和BLG薄膜的光学图像转移到285 nm厚的SiO2/Si衬底上,并在相同的生长时间内以不同的(PCH4 / PH2)比生长:(a)大型MLG膜,(b)在大型MLG下具有较小覆盖率的部分填充BLG膜,(c)在大型MLG下具有较高覆盖率的部分填充的BLG膜以及(d)大型均匀BLG膜。

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Fig. 6. (a)通过无聚合物转移方法将大BLG膜的图像转移到285 nm厚的SiO2/Si衬底上。(b-c) 大型BLG膜的选定区域的OM图像,其放大倍数(比例尺大小)分别为5×(200μm)和100×(10μm)。(d)在(b)中标记的十个不同点拍摄的拉曼光谱。

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Fig. 7. 大型MLG和BLG胶片的光学图像和空间分辨拉曼图:(a)大型MLG胶片的光学图像。(b-d)(a)中红色虚线框表示为MLG区域的G波段强度,2D波段线宽和2D到G强度比的图。(e)大型BLG膜的光学图像。(f-h)(e)中红色虚线框表示的BLG区域的G波段强度,2D波段线宽和2D到G强度比的映射。

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Fig. 8. (a) KPFM绘制大型石墨烯薄膜的表面电位。(b)在MLG区域(绿色十字)和接近ab堆积的BLG区域(蓝色实心圆)上进行的拉曼点光谱。(c)沿(a)中的红线测得的功函数的空间演变。(d)对MLG和BLG薄膜的功函数进行UPS测量,分别得到4.65 eV和4.72 eV的值。

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Fig. 9. BLG样品的电迁移测量:(a)主板:基于BLG样品的两端背栅FET器件的光学显微照片。(b)单晶BLG(黑色正方形)和大型BLG膜(红色圆圈)的电导率与栅极电压 (σ-vs.-Vg)曲线。(c)单晶BLG(黑色正方形)和大型BLG膜(红色圆圈)的电阻率与栅极电压(ρ-vs.-Vg)曲线。(d)单晶BLG(黑色正方形)和大型BLG膜(红色圆圈)的载流子迁移率。

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Fig. 10. 在100 K至300 K的各种恒定温度下,基于AB堆叠的BLG单晶的背栅FET器件的电导率σ与载流子密度n = Cox/e (V−VCNP)的函数。

        相关研究成果于2019年由美国加州理工学院物理系Nai-Chang Yeh课题组,发表在Carbon (https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.09.052 )上。原文:Direct growth of mm-size twisted bilayer graphene by plasma-enhanced chemical vapor deposition

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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